板翅式換熱器的數(shù)值模擬研究

1、板翅式換熱器的傳熱和流動(dòng)阻力特性數(shù)值模擬研究1課題背景及研究意義1.1研究背景隨曹科學(xué)技術(shù)口新月界的發(fā)展，作為換熱關(guān)鍵設(shè)備之一的換熱器也越來越倍受人們的關(guān) 注，各種高效、節(jié)能的新型換熱器應(yīng)運(yùn)而牛。板翅式換熱器作為一種典型的新型換熱器，以 其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了換熱設(shè)備領(lǐng)域的一席之地，廣泛的應(yīng)用于能源、動(dòng)力、化工、冶金、 機(jī)械、交通、原了能、航空和航天等領(lǐng)域，并在利用熱能，回收余熱，節(jié)約原料，降低成木 以及一些特殊用途上取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。板翅式換熱器顯著優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高，緊湊 輕巧，適應(yīng)性大，可在200°c到絕對(duì)零度的溫度區(qū)間內(nèi)工作。缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，要求嚴(yán) 格，容易堵塞，不耐腐蝕

2、，清洗檢修較怵i難。板翅式換熱器首先應(yīng)用于航空、汽車工業(yè)，早 在1930年英marston excelsier公司就用銅合金浸漬釬焊方法制成航空發(fā)動(dòng)機(jī)散熱用板翅式 換熱器，20世紀(jì)40年代中期出現(xiàn)了鋁質(zhì)浸焊板翅式換熱器。1942年美norris r.h.首先進(jìn)行 平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片的性能研究。20世紀(jì)50年代，板翅式換熱器開始在空氣分 離設(shè)備中得到應(yīng)用，這使得板翅式換熱器的實(shí)驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)制造得到有力得推動(dòng)，板翅式換 熱器開始向人型化、高壓、多種川途、各種材料的方向延伸。近年來，對(duì)板翅式換熱器的理 論計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造工藝以及實(shí)驗(yàn)研究方興未艾，尤其是一些新技術(shù)的滲透，使其應(yīng)用 范圍進(jìn)

3、一步拓寬，進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。國內(nèi)外的研究指出：引起該類換熱器性能下降 的主婆因素為物流分配的不均勻、軸向?qū)峒皽囟葓?chǎng)的不均勻，而三者中物流分配不均勻的 影響是最重要的21o iii于流體從入口進(jìn)入換熱器內(nèi)部經(jīng)歷了多次流通面積的變化，從大通道 到微細(xì)通道流體流量多次分配，結(jié)果進(jìn)入翅片通道后各通道z間、各流動(dòng)層z間存在嚴(yán)重的 不均勻現(xiàn)象，物流分配的不均勻?qū)е聯(lián)Q熱的不均勻，因而成為板翅式換熱器性能下降的主要 原因。對(duì)板翅式換熱器的研究發(fā)現(xiàn)3： ntu在450范圍內(nèi)，由于物流分配的不均勻可導(dǎo) 致?lián)Q熱器效能下降3.59.54%o如何保證與完善板翅式換熱器優(yōu)良的傳熱性能是換熱器研 究與設(shè)計(jì)人員的重要

4、任務(wù)，對(duì)板翅式換熱器的研究與改進(jìn)，使其更能進(jìn)一步體現(xiàn)這一高效換 熱器的優(yōu)勢(shì)，具有重要的工程意義與理論價(jià)ffi。物流分配不均勻現(xiàn)象還存在于各類流動(dòng)與換 熱設(shè)備之屮，特別是熱交換器和化學(xué)反應(yīng)器屮，由于在該類工業(yè)設(shè)備中存在著熱量和質(zhì)疑的 交換過程，流體分配的不均勻就意味著對(duì)傳熱和傳質(zhì)過程造成影響，甚至于惡化。而由于傳 熱和傳質(zhì)過程的存在，當(dāng)溫度場(chǎng)或者濃度場(chǎng)不均勻吋也導(dǎo)致物理過程的不平衡，反而又會(huì)影 響流體流動(dòng)的不均勻。如此的復(fù)合過程，交叉耦合，互相影響。因此，研究物流分配均勻性 分布必須和傳熱傳質(zhì)過程耦合起來，特別是局部的流場(chǎng)分布特征與微觀的傳熱傳質(zhì)過程互相 依賴。此外，換熱設(shè)備的入口結(jié)構(gòu)對(duì)來流的流

5、場(chǎng)分布起著至關(guān)重要的作用，來流的均勻性分 布是保證換熱設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)均勻的前提。對(duì)于不同的入口結(jié)構(gòu)型式，不同的來流條件和流體 特性，流場(chǎng)的均勻性也是不同的。因此開展換熱器物流分配的研究對(duì)于探明換熱器內(nèi)部傳熱 與流動(dòng)之間的相互依賴關(guān)系，搞清處溫度場(chǎng)分布與流場(chǎng)分布的內(nèi)在聯(lián)系，具有科學(xué)意義°對(duì)， 于改善換熱器結(jié)構(gòu)，提高其換熱效率，具有明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。12課題研究的實(shí)際意義2、本課題研究領(lǐng)域國內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)：板翅式換熱器是-種緊湊式的高效換熱器，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕松、傳熱效率高籌特點(diǎn), 廣泛地用于石油化工、空氣分離、低溫工程、船舶、車輛及原子能等行業(yè)。隨著釬焊及真空 鉗焊技術(shù)的

6、發(fā)展,工藝的完善，材料質(zhì)量的提高及材料種類的拓展切,其制造成本不斷下 降，甚至可以應(yīng)用于一些家用電器，如空調(diào)、家用取暖設(shè)施等。冃前國內(nèi)板翅式換熱器的 制造水平已達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，部分產(chǎn)品一出口國外。而冇關(guān)板翅式換熱器的實(shí)驗(yàn)研 究，軟件開發(fā)也取得了一些成果；為了更好地與先進(jìn)的制造水平相當(dāng)，提高設(shè)計(jì)的效率、質(zhì) 量及設(shè)備的可用性，將計(jì)算機(jī)模擬與板翅式換熱器的計(jì)算輔助優(yōu)化系統(tǒng)相結(jié)合，有較高的使 用價(jià)值。國內(nèi)外對(duì)于換熱器的研究工作一直都很重視，隨著能源的日趨緊張，環(huán)境保護(hù)要求的提 高，換熱器的研究也越來越受到各方面的歡迎和支持。美國傳熱研究公司(htr)i是一個(gè)國 際性、非贏利性的合作研究機(jī)構(gòu)，會(huì)員數(shù)

7、百家，遍及全球，在傳熱機(jī)理、兩相流、振動(dòng)、污 垢、模擬及測(cè)試技術(shù)主而作出了很人貢獻(xiàn)。近年來，該公司在計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)上發(fā)展很 快，所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件、各種換熱器工藝設(shè)計(jì)軟件計(jì)算準(zhǔn)確，不僅節(jié)省了人力，提高了 效率，而且提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。冃前國內(nèi)有近20家成為htri會(huì)員川。英國傳熱及流體 服務(wù)中心(htfs),隸屬于英國原了能管理局。該中心冇會(huì)員數(shù)百家，長(zhǎng)期從事傳熱與流體 課題的研究，所積累的經(jīng)驗(yàn)和研究成果不僅用于原子能工業(yè)，而且用于一般工業(yè)。它在傳熱 與流體計(jì)算上更精確，開發(fā)的htfs、tasc各類換熱器計(jì)算軟件備受歡迎，國內(nèi)有30多家 企業(yè)成為會(huì)員(”。國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)、高等院校對(duì)傳熱理

8、論及高效換熱器的研究一直非常重 視，走過了從引進(jìn)、消化、吸收、發(fā)展到口主開發(fā)的歷程。在強(qiáng)化傳熱元件方面華南理工大 學(xué)相繼開發(fā)出表面多孔管、螺旋槽管、波紋管、縱橫管等;西安交大在板翅式換熱器研究方 面已取得一定成果;蘭州石汕機(jī)械研究所開發(fā)出了折流桿換熱器、高效重沸器、新結(jié)構(gòu)高效 換熱器等一批實(shí)用價(jià)值高的系列高效換熱器。這些技術(shù)成果為國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為小國 的煉油、化工業(yè)的發(fā)展起了巨大作用，也使中國的傳熱技術(shù)水平步入了國際先進(jìn)水平”。4國內(nèi)外板翅式換熱器方面的研究1.4.1國外研究狀況國外方面，prasad0, “，'2在分析了板翅式換熱器的換熱機(jī)理之后，利用翅片換熱的計(jì) 算方法，對(duì)板

9、翅式換熱器建立了模型，這個(gè)模型同樣適用于多股流，適用于不同的流動(dòng)布宜, 能夠計(jì)算板翅式換熱器的溫度場(chǎng)，獲得流體的出口溫度。德國的一所大學(xué) universityofthefederalarmedforceshambu嗯和上海理丄大學(xué)方面【'3】合作建立了一個(gè)換熱 器的多股流一維數(shù)學(xué)模型，這個(gè)模型適川于順流和逆流情況的換熱器溫度場(chǎng)，并冃得到了分 析解。徳國學(xué)者fehele, klas, mayinger等人利用全息技術(shù)和干涉技術(shù)對(duì)板翅式換熱器的 局部換熱進(jìn)行了研究【'“】。他們稱在雷諾數(shù)等于2000時(shí)，流動(dòng)是紊流。他們對(duì)流道的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行研究，指出對(duì)特定的雷諾數(shù)，管道的彎曲半徑越小，

10、導(dǎo)熱性能就越好。但是出于體積因素考慮(votumegoodnessfactor),人的彎曲半徑比較有優(yōu)越性。在強(qiáng)化紊流的研究中，他們 指出，非錯(cuò)列布置的強(qiáng)化管冇較好的傳熱性能，但是出于體積因素考慮，還是錯(cuò)列布置比較 好。對(duì)于如下這樣一個(gè)板翅式換熱器：圖1-4板翅式換熱器的示意圖利川全息技術(shù)扌n攝的照片如下:b(a) r=lmm> re=500；(b)r=5inm, re=2500圖1-5板翅式換熱器的全息技術(shù)拍攝圖142國內(nèi)研究狀況板翅式換熱器是我國20世紀(jì)60年代h行開發(fā)的新型高效換熱設(shè)備【'一，】，以其優(yōu)良的性能，廣泛應(yīng)用于空分設(shè)備、石油化工設(shè)備、工程機(jī)械和宇宙空間技術(shù)等工業(yè)

11、部門。我國是繼英、美、日z后笫四個(gè)生產(chǎn)板翅式換熱器的國家。四十多年來，我國板翅式 換熱器技術(shù)取得了顯苦進(jìn)步。我國板翅式換熱器設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平的提高使得我國 在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)接近和達(dá)到了世界先進(jìn)水平。其主要表現(xiàn)在【'5】:開發(fā)和編制了板翅式換熱器設(shè)計(jì)熱力計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序，提高了計(jì)算精度和設(shè)計(jì)水平。(2) 無熔劑真空釬焊技術(shù)取代鹽浴浸漬釬焊，使換熱器制造公益技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。(3) 8.ompa髙壓鋁制板翅式換熱器開發(fā)成功并出口到美國，標(biāo)明我國制造技術(shù)水平已經(jīng)接近 和達(dá)到世界先進(jìn)水平，已經(jīng)具有與國際競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，開拓了國際市場(chǎng)。但在板翅式換熱器的開發(fā)利川方面，很少學(xué)者利川場(chǎng)協(xié)同的原理

12、去研究板翅式換熱器的效 率。到目前為止，作者還沒啟發(fā)現(xiàn)有學(xué)者對(duì)板翅式換熱器進(jìn)行整體建模計(jì)算 溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。西安交通大學(xué)【'“一26, 3 '】在板翅式換熱器方面的研究是做了比較多的工作的。焦安軍, 厲彥忠【6】等用fluent商業(yè)軟件對(duì)板翅式換熱器的封頭進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算出幾種 悄況下的封頭的速度分布場(chǎng);他們還研究了導(dǎo)流片的導(dǎo)流角對(duì)導(dǎo)流性能的影響【'7,發(fā) 現(xiàn)導(dǎo)流角為450時(shí)，導(dǎo)流性能最佳。張哲，厲彥忠1 '】等對(duì)導(dǎo)流片建立了控制方程，進(jìn) 行了數(shù)值模擬，研究進(jìn)口流速不均勻，開孔率以及開孔直徑、導(dǎo)流角等對(duì)導(dǎo)流性能的 影響;并做出了一些改進(jìn)，對(duì)改進(jìn)的導(dǎo)流片，他們做

13、了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證9,取得了一定 的成果他們還用flljent對(duì)封頭進(jìn)行了建模計(jì)算，提出了二次封頭的概念16,并 設(shè)計(jì)出了新型的封頭，使得封頭的導(dǎo)流性能得到改善。西安交通大學(xué)技術(shù)研究所對(duì)導(dǎo) 流片的導(dǎo)流性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出普通導(dǎo)流片物流分配不均勻參數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān) 系。焦安軍等【'“】還對(duì)不同導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)導(dǎo)流片導(dǎo)熱性能的影響進(jìn)行了深入研究， 發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器內(nèi)部流動(dòng)速度分布均勻性的彫響主耍表現(xiàn)在總管流動(dòng) 方向上，通過改變板翅式換熱器導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以冇效地改善換熱器內(nèi)部物流在 總管方向上的分配情況，從而侑效地改善換熱器內(nèi)部流動(dòng)速度的分布。劉永忠等30】對(duì)板翅式換熱器中的氮的

14、冷凝和蒸發(fā)禍合傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 發(fā)現(xiàn)在一定的熱流密度范圍內(nèi)，冷凝傳熱溫差是蒸發(fā)傳熱溫差的30% 60%,傳熱過 程的熱阻主耍在蒸發(fā)側(cè);隨著熱流密度的增加，兩者差別縮小。南京工業(yè)大學(xué)27】對(duì)板翅式換熱器封頭的強(qiáng)度進(jìn)行了冇限元分析，經(jīng)分析他們認(rèn) 為:端板斜接式半圓形封頭的極限承載能力最大，相對(duì)適用于中、低壓操作工況;而平 端板半圓形標(biāo)準(zhǔn)封頭的極限承載能力最小，相對(duì)適用于低壓操作工況;斜端板半圓形 封頭的極限承載能力略高于平端板半圓形標(biāo)準(zhǔn)封頭，也只適用于低壓操作工況。廣東省鍋爐壓力容器監(jiān)測(cè)所和華南理工大學(xué)28】以進(jìn)口板翅式換熱器為例，建立了板翅式換熱器封頭的強(qiáng)度計(jì)算公式，并應(yīng)川于板翅式換熱器

15、的檢驗(yàn)，為該類型換熱器 安全性評(píng)估的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。東南大學(xué)和蘇州三川換熱器廠張小松等29】在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將板翅式換熱器用于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)的能量回收，發(fā)現(xiàn)減少了新風(fēng)機(jī)組的負(fù)荷45% 70%,他們建議廣大中央空調(diào)系統(tǒng)的使用單位采用該種熱回收方式。上海交通大學(xué)和現(xiàn)代華蓋建筑設(shè)計(jì)冇限公司29結(jié)合工程實(shí)例，分析了板翅式換熱器用在酒店系統(tǒng)屮的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。分析表明，在南昌地區(qū)酒店空調(diào)屮使用熱回收設(shè)備，經(jīng)濟(jì)節(jié)能效果顯著，投資回收期短，值得廣泛應(yīng)用。在英他方面，還冇對(duì)板翅式換熱器系統(tǒng)進(jìn)行cad開發(fā)的32 - 35,在antocad下， 集成數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)處理和圖形輸出，用于工業(yè)使用，對(duì)以大

16、大減少設(shè)計(jì)、繪圖和文 件生產(chǎn)成木，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期縮短。板翅式換熱器屬于緊湊式換熱器的一種。早在1930年英國馬爾斯頓艾克砍爾瑟公司就用銅合金浸漬釬焊方法制成航空發(fā)動(dòng)機(jī)散熱用板翅式換熱器。經(jīng)過70年的發(fā)展，目前板翅式換熱器作為一種高效、緊湊、輕巧的換熱設(shè)備，已在石油化工、航空航天、電子、原子能、武器工業(yè)、冶金、動(dòng)力工程和機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在利用熱能、回收余熱、節(jié)約原料、降低成木以及一些特殊用途上取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。其主要特點(diǎn)是:傳熱效率高、緊湊、輕巧、適應(yīng)性強(qiáng)、制造工藝要求嚴(yán)格、制造研究開發(fā)費(fèi)用高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作壓力溫度有一定的限制、易堵塞和被腐蝕、工質(zhì)要求比較潔凈、加工工藝復(fù)朵等特點(diǎn)

17、。近年來，板翅 式換熱器的設(shè)計(jì)理論、試驗(yàn)研究、制造工藝、開拓應(yīng)用的研究方興未艾，特別是 一些新技術(shù)的滲透，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。2板翅式換熱器的研究意義換熱器是熱力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其中高效率和緊湊性的研究成為近兒十年來工程設(shè)計(jì)、理論 研究人員追求的冃標(biāo)。在不同的領(lǐng)域里對(duì)其研究的側(cè)重而不同，這是因?yàn)樵谀茉础⒒さ阮I(lǐng) 域里，由于工程的需要，設(shè)備尺寸愈來愈大而熱功率也在相應(yīng)增大，要求的工作壓力在提 高，但是由于兩相流動(dòng)、傳熱機(jī)理以及物流分配的不均勻性等問題限制了換熱設(shè)備向人型化 發(fā)展，。同時(shí)隨著航空及航天技術(shù)的需要，小型制冷機(jī)和汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)換熱器的性 能提出特姝要求。不

18、僅對(duì)換熱器的重量和體積提出了更髙的要求，而11對(duì)換熱器的效率及緊 湊性提出了近乎苛刻的要求。因此，緊湊式換熱器是隨著工程的實(shí)際需要以及對(duì)系統(tǒng)性能的 要求不斷捉高而發(fā)展起來的。緊湊式換熱器是指換熱表面具冇高的比表面枳、大的nu及高 效的傳熱特性。一個(gè)緊湊式換熱器不一定是小體積小質(zhì)最的，但是如果不具存高的比表面積, 其體積與質(zhì)量比會(huì)大的多。緊湊式換熱器尤其適合兩側(cè)換熱系數(shù)相差比較人及流道布直復(fù)雜 的場(chǎng)合。多年來，在換熱器設(shè)計(jì)中唯一可獲得的，具有足夠粘:度的基本傳熱和流動(dòng)阻力 數(shù)據(jù)是針對(duì)圓管管內(nèi)流動(dòng)和繞圓管管束流動(dòng)。但是在汽千、航天器等許多的應(yīng)用場(chǎng)合，都要 求換熱器尺寸小，垂量輕。為此發(fā)展了在傳熱特

19、性方面比鬪管管束更優(yōu)的高效緊湊換熱器。 但是由于缺乏基木傳熱和流動(dòng)阻力數(shù)據(jù)以及對(duì)其機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，長(zhǎng)期以來使其應(yīng)用受到了一 定的限制。獲得緊湊式換熱器的試驗(yàn)傳熱數(shù)據(jù)和流動(dòng)阻力數(shù)據(jù)，己成為制約緊湊式換熱器發(fā) 展的重要因索。板翅式換熱器為高效緊湊的換熱設(shè)備z,其主要傳熱元件是板間的翅片， 流體在板間網(wǎng)狀的流道內(nèi)流過，在流速的作用下，激起強(qiáng)烈的湍流，在o.imz的范圍內(nèi)就町 分布數(shù)冃多達(dá)500的“渦旋”。試驗(yàn)表明，當(dāng)re二200時(shí)板間流體已處于湍流狀態(tài)。根據(jù) 傳熱學(xué)原理，當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時(shí)，很容易破壞流體邊界層，人人減少熱阻，從而有效地 強(qiáng)化傳熱t(yī)3。國內(nèi)外大量試驗(yàn)表明i' .5,在相同的流

20、速下，板翅式換熱器比管翅式高3 一5倍，在相同的阻力損失下，板翅式換熱器傳遞的熱量是管翅式的6 7倍，板翅式換熱 器的面積對(duì)以比管式換熱器小3 5倍，占地而積町以節(jié)省3 5倍。正因?yàn)槿绱?，板翅?換熱器的研究才得以廣泛的開展。然而，截至冃前為止，冇關(guān)換熱器翅片的建模方向的研究 工作在國內(nèi)還沒有什么突破性進(jìn)展，還沒有什么相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可杳。板翅式換熱器的傳熱模型 也只是局限于針對(duì)具體的換熱器形式作傳熱學(xué)方面的一般熱計(jì)算、熱設(shè)計(jì)以及強(qiáng)化傳熱等方 而的工作【6,。2板翅式換熱器的研究現(xiàn)狀2.1板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)和翅片形式板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但其結(jié)構(gòu)單元體基本相同，都是由翅片、 隔板、封條和導(dǎo)流片

21、組成，它是在金屬平板上放一翅片（即所謂二次傳熱而積）， 然后再在其上放一金屬平板，兩邊以邊緣封條密封而組成一個(gè)基本單元，上下的 兩塊金屬板稱為隔板。換熱器的芯體是由許多這樣的壟本單元組成。翅片是板翅式換熱器最基木的元件，傳熱過程主要是通過翅片來完成，一部分直接由隔板來完成。翅片與隔板的連接均為完善的釬焊。因此人部分熱量經(jīng)翅 片，通過隔板傳給冷流體。山于翅片不像隔板是直接把熱量傳給冷流體，故翅片 有“二次表而“之稱。美國加利福尼亞大學(xué)和埃姆茲航空試驗(yàn)室分別對(duì)沒有板翅 的換熱器和冇板翅的換熱器進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明:冇翅片的換熱器比沒冇翅片的 換熱器體積減少18%以上。假設(shè)設(shè)計(jì)的翅片效率最低為70%時(shí)

22、，其重最也將減少 10%'、。翅片的型式，到目前為止己出現(xiàn)以下兒種型式:平直翅片、多孔翅片、鋸齒 翅片、波紋翅片、釘狀翅片、百葉窗式翅片、片條翅片。其中常用的有平直翅片、 鋸齒翅片、多孔翅片及波紋翅片。圖1一1各種型式翅片結(jié)構(gòu)圖2.2板翅式換熱器設(shè)計(jì)理論1. 表而特性及選擇191板翅式換熱器中的傳熱過程主要是通過翅片來完成的。美國斯坦福大學(xué)的kays進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，總結(jié)出40多種翅片形狀的板翅式換熱器傳熱和阻 力關(guān)聯(lián)式。shah對(duì)平直翅片的研究表明，寬高比較人的矩形通道流道品質(zhì)（j/f） 優(yōu)于三角形（正弦形）通道。joshi和'webb對(duì)鋸齒翅片的表而特性進(jìn)行了研究，提

23、 出了一系列關(guān)聯(lián)式。鋸齒翅片傳熱特性隨切開長(zhǎng)度而變化，切開長(zhǎng)度越短，傳熱性 能越好，但流動(dòng)阻力也增加。goldstein和spalrow應(yīng)丿ij傳質(zhì)模擬方法對(duì)波紋翅片進(jìn) 行了試驗(yàn)研究1101,發(fā)現(xiàn)對(duì)低re層流（當(dāng)re=1000時(shí)傳熱最提高25%）,波紋翅片引 起傳熱強(qiáng)化很少;而對(duì)低re湍流具有明顯的強(qiáng)化效果（當(dāng)re二600800時(shí)傳熱量 提高200%）o多孔翅片亦屬于高效翅片，shan通過多種多孔翅片表而傳熱、壓降 和流動(dòng)特性試驗(yàn)，提出了一些可供設(shè)計(jì)參考的結(jié)論?？倆,町供使用的多種翅形j 因了和廠因了數(shù)據(jù)己冇不少，但可供設(shè)計(jì)計(jì)算使用的擬合關(guān)聯(lián)式卻很有限。因此， 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（co哪utat

24、ionalfluiddynamies,簡(jiǎn)稱cfd）、流動(dòng)可視化技術(shù)和 模擬測(cè)試來研究翅片流動(dòng)和傳熱的本質(zhì)，并建立j因子和f因子數(shù)據(jù)庫將是今后 十分重要的工作'，。2. 傳熱和流動(dòng)分析板翅式換熱器傳熱分析一般采用傳熱單元數(shù)法（。一 ntu），該法為便于手工計(jì) 算，作了一些理想化的假設(shè)，這些假設(shè)條件何時(shí)會(huì)對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著影響， 因此必須考慮進(jìn)行修正。如傳熱計(jì)算屮確定流體物性的單一溫度值，在冷端溫降不 是很大的情況下，可用平均溫度計(jì)算物性'，2j。但若流體物性變化很大，貝i應(yīng)將換熱器 按能量平衡分成兒部分，假定各部分內(nèi)的物性為一常數(shù)。溫度對(duì)j和f的影響有時(shí) 也需考慮，如j和f試

25、驗(yàn)數(shù)據(jù)通常在常溫下獲得，用于高溫時(shí)就要修正。物流不均勻 會(huì)引起板翅式換熱器性能顯著下降，特別是刃了 u人的板翅式換熱器尤英。 簡(jiǎn)單的總管分配不均勻性分析通過解析方法完成，如兩股流板翅式換熱器'，。 復(fù)朵的只有通過數(shù)值計(jì)算方法來分析傳熱過程，如chiou研究了兩種情況下流量分 配不均勻性對(duì)單程錯(cuò)流換熱器熱工性能的影響。對(duì)通道間物流分配不均勻的研 究，london采用單通道模型對(duì)低re層流狀態(tài)下的情況進(jìn)行了理論分析。后來又將 該理論分析推廣于n通道模型分析【，“。w七imer等就不均勻流體分配對(duì)多股流多通 道換熱器性能影響進(jìn)行了研究。對(duì)兩相流問題，不均勻分配問題顯得尤為突出【”，6,”,

26、物流的不均勻分配使得板翅式換熱器嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況。綜觀國內(nèi)外學(xué)者的研究， 較多是定性的，離設(shè)計(jì)應(yīng)用仍有很大距離，因此物流不均勻性問題仍是中外學(xué)者研 究的一個(gè)重要方向。多股流板翅式換熱器冃前研究的重點(diǎn)在通道分配及通道排列 問題上，對(duì)于這方面的研究還不充分，從來沒有形成一個(gè)較為一致的原則來指導(dǎo)設(shè) 計(jì)通道分配及通道排列。因此，對(duì)多股流換熱的物理模型和計(jì)算方法等還有待于進(jìn) 步研究。板翅式換熱器表而對(duì)以在沸騰與冷凝的工況下提供很大的換熱系數(shù)，但相對(duì)于單相流的傳熱和流動(dòng)，兩相流傳熱機(jī)理研究還很不夠，冃前公開發(fā)表的關(guān)于板翅 式表面在相變和兩相流方面的文獻(xiàn)還較多局限于空氣分離設(shè)備領(lǐng)域屮【，.，。由于板翅 式換

27、熱器屮沸騰和冷凝的性能數(shù)據(jù)非常有限，因此還無法提供用于設(shè)計(jì)的通用綜 合關(guān)系式，也不能提供對(duì)圓管公式的修正方法。2.3計(jì)算機(jī)輔助工程(cae)由于板翅式換熱器的設(shè)計(jì)公式較為復(fù)雜，通道設(shè)計(jì)十分困難，手算過程十分費(fèi) 時(shí)且易出現(xiàn)人為的誤差，另外還必須忽略許多二階量的彩響以便簡(jiǎn)化計(jì)算，因此板 翅式換熱器經(jīng)常棄置不用，工程技術(shù)人員通常選用低效但相對(duì)簡(jiǎn)單的管殼式換熱 器來取代'，0，。近年來隨著計(jì)算機(jī)輔助丄程技術(shù)cae(computeraidedengineering) 的發(fā)展，應(yīng)川計(jì)篦機(jī)模擬技術(shù)對(duì)換熱器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)進(jìn)行性能模擬己成為可能，這將 解決多年來一頁困擾設(shè)計(jì)人員的手t熱力計(jì)算的難題。shah

28、首先對(duì)緊湊式換熱器 的計(jì)算機(jī)輔助熱工計(jì)算進(jìn)行了討論。英國傳熱服務(wù)公司(htfs)、美國altec公 司和sw公司等祁曾推出專用商業(yè)軟件?；赾fd技術(shù)的傳熱、流動(dòng)研究主要有以下兒個(gè)方而。1. 傳熱、壓降系數(shù)及冇關(guān)關(guān)聯(lián)式冃前這些系數(shù)和關(guān)聯(lián)式還不齊備，冇許多工業(yè)上用的傳熱表面的數(shù)據(jù)不全或缺少可用的關(guān)聯(lián)式，對(duì)于傳熱單元數(shù)左幾/較人的情 況，試驗(yàn)技術(shù)有較大的誤差，有待于改進(jìn)，翅片與隔板聯(lián)接的熱阻及其對(duì)整個(gè)傳熱 過程的影響也需要更進(jìn)一步研究。2. 傳熱機(jī)理和各種傳熱表面的數(shù)值解由于僅僅掌握經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式并不能最終解決開發(fā)新的傳熱表面、強(qiáng)化傳熱和精確設(shè)計(jì)等問題，研究工作者越來越多地把精 力投入到應(yīng)用cfd技術(shù)

29、求傳熱與流動(dòng)的數(shù)值解方面，以期建立模擬傳熱和流動(dòng)的數(shù) 值模型，并通過計(jì)算來預(yù)測(cè)新型表面的傳熱、阻力系數(shù)及其關(guān)系。3. 伴冇相變及兩相流的傳熱及流動(dòng)價(jià)”相對(duì)于單相流的傳熱與流動(dòng)，這一方面 的研究顯得很薄弱，今后仍是重點(diǎn)研究的一個(gè)領(lǐng)域。4其它問題物性變化的影響、表面選擇方法、如何從結(jié)構(gòu)上保證流體均布、流道如何合理布置以及縱向?qū)岵薯懙榷喾角膯栴}在設(shè)計(jì)屮一玄未徹底解決，仍然有待進(jìn)一步研究。用cfd研究板翅式換熱器還少有人問津”，因此，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)、流動(dòng) 可視化技術(shù)和模擬測(cè)試來研究翅片流動(dòng)和傳熱的本質(zhì)，并建立j因子和f因子數(shù) 據(jù)庫將是今后十分重要的工作。板翅式換熱器傳熱機(jī)理和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)將是今后

30、 研究的重點(diǎn)內(nèi)容，考慮到我國板翅式換熱器開發(fā)和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)還相對(duì)缺乏的具體情 況，cfd的應(yīng)用研究更具有特別重要意義。根據(jù)目前的研究狀況來看，使換熱器更加緊湊的方法有如下方式：1換熱器的材料選擇以及新型換熱器材料的研究開發(fā)，用具有鮫大傳熱系數(shù)的材料替代傳熱系數(shù)小的材料。2. 改善換熱器換熱表面的幾何形狀，其屮肋片的幾何形狀對(duì)緊湊式換熱器的 性能影響至關(guān)重要，對(duì)肋片性能（換熱性能、流動(dòng)阻力性能、強(qiáng)度等）的研究是緊湊 式換熱器研究的重要內(nèi)容。3. 流道布置是影響其性能另一重要因素，這是因?yàn)榫o湊式換熱器使用鬲度緊湊的換熱表面，換熱器的形狀具冇大的迎面面積和短的流道長(zhǎng)度，因而，流道布 置要求極為精確。4. 物流分配的均勻性對(duì)其性能的彩響不能忽視，由于其短的流道和大的迎而 而積，緊湊式換熱器導(dǎo)流器的設(shè)計(jì)對(duì)于介質(zhì)流動(dòng)的均勻分配是至關(guān)重要的，因此 對(duì)導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)和性能的研究也是緊湊式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。5. 由于緊湊式換熱器