板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究

王雪瑩 何夢(mèng)琪 陳興鵬 張海滟 徐迅

摘 要：傳熱板片是板式換熱器的關(guān)鍵元件?，F(xiàn)通過數(shù)值模擬軟件Fluent，以換熱器單位時(shí)間的換熱量除以煙氣側(cè)壓力損失的1/3次方作為綜合性能指標(biāo)，對(duì)板片的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，橢圓形截面板式換熱器，板束與板束的間距h=16.5 mm，長軸a=30 mm，短軸b=12 mm，空氣進(jìn)口流速設(shè)置為6 m/s時(shí)，綜合性能指標(biāo)能夠取到更優(yōu)值，達(dá)到優(yōu)化目的。

關(guān)鍵詞：板式換熱器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;數(shù)值模擬

0? ? 引言

熱交換器是一種將熱量從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)的裝置，廣泛用于石油、化工、能源、食品和其他行業(yè)[1]。其根據(jù)傳熱表面形態(tài)可分為管式換熱器、板式換熱器、夾套式換熱器和特種換熱器。板式換熱器以其優(yōu)良的傳熱系數(shù)和緊湊的結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

板式換熱器的結(jié)構(gòu)可分為兩部分：一部分是框架結(jié)構(gòu)，主要用于支撐整體結(jié)構(gòu);另一部分是金屬板片，用作傳熱的關(guān)鍵部件。板片是由薄板用研磨工具壓制出波紋，薄板片的4個(gè)角開有角孔和密封墊片，用于介質(zhì)的流道，起到減少液體向外泄漏和換熱液體相互內(nèi)漏的作用。當(dāng)板式換熱器正常工作時(shí)，密封墊片按工藝流程進(jìn)行組合密封并與傳熱板進(jìn)行連接，兩角孔互相連接，形成通道。相應(yīng)通道內(nèi)的傳熱物質(zhì)在相近通道內(nèi)朝著相反的方向運(yùn)動(dòng)，提高了熱傳遞效率，加強(qiáng)了熱輻射、對(duì)流換熱的效果。按板片形式來劃分，板式換熱器主要包含人字形波紋板、水平平直波紋板和瘤形板片3個(gè)類型[2]。

現(xiàn)有的板片形狀以人字形最多，已有文獻(xiàn)也主要是對(duì)這一形式波紋的不同幾何參數(shù)（如波紋的間距、高度、傾角等）對(duì)流動(dòng)和換熱的影響進(jìn)行研究。但人字形板式換熱器的阻力一般較大，往往成為限制其應(yīng)用的主要因素。本文對(duì)一種橢圓形截面板式換熱器的板片波紋形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過數(shù)值模擬軟件Fluent對(duì)板片的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到換熱量高、壓力損失小的目的。

1? ? 板式換熱器數(shù)值模型

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種橢圓形截面板式換熱器，該模型由若干塊相同的平板疊加在一起，制作工藝上利用激光滲透焊接、充壓，形成了橢圓形截面的循環(huán)通道，冷卻水由該通道進(jìn)入，板束與板束之間錯(cuò)位疊放，板束之間為煙氣的波紋型通道，如圖1所示。該板型結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率好，但并沒有明確制訂該板型的尺寸選擇。

2? ? 數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橢圓形截面板式換熱器中，設(shè)板束與板束的間距為h，冷卻水進(jìn)口橢圓長軸為a，短軸為b;設(shè)計(jì)板束長240 mm，寬400 mm。

板式換熱器的換熱性能主要包括換熱量和煙氣側(cè)壓力損失。

設(shè)換熱量為Q[單位為kW/（m2·s）]，計(jì)算式為：

Q=c·ΔT·v·ρ

式中：c為煙氣比熱[J/（kg·℃）];ΔT為煙氣進(jìn)出口的溫度差（℃）;v為煙氣流速（m/s）;ρ為空氣密度（kg/m3）。

設(shè)煙氣側(cè)壓力損失為ΔP（單位為Pa），板式換熱器綜合性能指標(biāo)為：

M=

2.1? ? 板間距對(duì)性能的影響

設(shè)定長軸×通道數(shù)為30 mm×8，短軸16 mm，水速0.5 m/s，煙氣流速5 m/s，入口溫度130 ℃，計(jì)算不同板間距下的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失，如圖2所示。

可以看出，板間距越小，換熱量越大，換熱性能越好，但同時(shí)壓力損失也隨之增大。

計(jì)算綜合性能指標(biāo)，其變化趨勢(shì)如圖3所示。在間距取值為22 mm時(shí)，綜合性能指標(biāo)取到最大值。

2.2? ? 長軸對(duì)性能的影響

設(shè)定短軸為16 mm，板間距為22 mm，其余邊界條件同2.1，計(jì)算不同長軸時(shí)的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失，如圖4所示。

可以看出，長軸越小（通道數(shù)越多），換熱量越大，但同時(shí)壓力損失迅速增加。

計(jì)算綜合性能指標(biāo)，其變化趨勢(shì)如圖5所示。長軸越大（通道數(shù)越?。?，指標(biāo)越好，但由于增加長軸時(shí)換熱量下降，從而導(dǎo)致?lián)Q熱不足。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，選取長軸為30 mm，通道數(shù)為8。

2.3? ? 短軸對(duì)性能的影響

設(shè)定長軸×通道數(shù)為30 mm×8，其余邊界條件同2.1。按照2.1得到的短軸與板間距最佳比例16：22，計(jì)算不同短軸時(shí)的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失，如圖6所示?？梢钥闯?，短軸越小，換熱量越大，同時(shí)壓力損失也越小。

綜合性能指標(biāo)變化趨勢(shì)如圖7所示。理論上短軸越小，換熱器綜合性能越好，應(yīng)在兼顧材料用量和造價(jià)成本的前提下，選取盡量小的短軸。

2.4? ? 煙氣流速對(duì)性能的影響

設(shè)定長軸×通道數(shù)為30 mm×8，短軸12 mm，板間距16.5 mm，其余邊界條件同2.1。計(jì)算不同煙氣流速下的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失，如圖8所示。

可以看出，隨著煙氣流速的增大，換熱量增大，壓力損失同時(shí)增加。

計(jì)算綜合性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，煙氣流速越大，換熱器綜合性能越好，變化趨勢(shì)如圖9所示。但過大的煙氣流速可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱時(shí)間不足，煙氣不能充分冷卻，排煙溫度過高，因此，選取煙氣進(jìn)口流速為6 m/s。

3? ? 結(jié)論

本文利用Fluent軟件對(duì)板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了板片結(jié)構(gòu)參數(shù)及煙氣流速對(duì)換熱器性能的影響，得到具體結(jié)論如下：

（1）板間距越小，換熱器單位時(shí)間的換熱量越大，但壓力損失也越大。對(duì)于特定的短軸，板間距存在最佳值，使得換熱器綜合性能指標(biāo)最佳。

（2）長軸越大（通道數(shù)越少），換熱器單位時(shí)間換熱量越小，壓差也越小，綜合性能指標(biāo)越大。但增加長軸時(shí)，單位時(shí)間換熱量下降，從而導(dǎo)致?lián)Q熱不足。綜合考慮，長軸×通道數(shù)選擇為30 mm×8。

（3）固定短軸與板間距之比，短軸越小，換熱器單位時(shí)間換熱量越大，壓力損失也越小，綜合性能指標(biāo)越大。選取短軸為12 mm，對(duì)應(yīng)板間距為16.5 mm。

（4）煙氣流速越大，換熱器單位時(shí)間換熱量越大，壓力損失越大，綜合性能指標(biāo)也越大。但過大的煙氣流速可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱時(shí)間不足，煙氣不能充分冷卻，排煙溫度過高。因此，選取煙氣進(jìn)口流速為6 m/s。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉凱，付婷，曾良才，等.內(nèi)置擾流柱的人字形板式換熱器的數(shù)值模擬[J/OL].機(jī)械科學(xué)與技術(shù).（2021-03-04）[2021-05-16].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/

detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=

JXKX20210302004&v=71l%25mmd2FrpOgPQchO0qhQTvhy4-

Nepk3xFytPHf8HX6UaD8OulWRoT0oo2WKOayenIBmp.

[2] 程曉峰，張耀，萬興.板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].節(jié)能，2020，39（9）：81-84.

[3] 高秀晶，吳俐俊，梁辰光.新型板殼式低壓省煤器與管翅式低壓省煤器傳熱性能的對(duì)比研究[J].電力與能源，2014，35（3）：366-368.

收稿日期：2021-05-19

作者簡介：王雪瑩（2000—），女，江蘇徐州人，研究方向：光電信息。

通信作者：徐迅（1983—），男，江蘇南通人，副教授，研究方向：工程傳熱。