（化工过程机械专业论文）新风板式换热器的流动与传热特性.pdf

中文摘要 现代文明带来舒适牛活的同时，也破坏着人类赖以生存的基本环境。其中， 室内空气品质( i a q ) 已成为二十一世纪最受关注的课题之一。通风，向室内提供 大量的新鲜空气是改善室内空气品质的最有效办法之一。然而，提高新鲜空气供 给量意味着增大新风负荷，同时也意味着建筑能耗的不断增加。新风换热器通过 排风和新风之间的热交换回收排风中的能量，能够有效解决在改善室内空气品质 的同时又节约能量的矛盾。 本文利用数值模拟的方法对一种新型的新风板式换热器进行了研究，评价了 热力学性能并优化了结构，模拟结果利用实验数据进行了验证。研究中，模拟并 分析了换热器内部的速度和温度的场分布，并对换热器的阻力特性及传热特性进 行了分析；以热力学第二定律熵产分析原理为基础对新风换热器的热力学性 能进行了评价；以熵产最小化原理为基础对新风换热器的换热板板长与板问距的 比值l h 进行了优化设计。 。 模拟结果表明，在研究工况下，表征阻力特性指标的摩擦系数g 随着冷、 热空气流道长度的增加而单调递减并趋于稳定，平均摩擦系数随着流量的增 加而递减；表征传热特性指标的努赛尔特数( n u 数) 在冷、热空气的进口端附近变 化比较大，平均努赛尔特数( n u 。数) 随着温差和流量的增加而增加；换热器内对 流换热的不可逆性主要存在于冷、热空气的进口端处，熵产单元数m 随着冷、 热空气温差和流量的增加而增加；优化后的芯体结构内换热过程的可逆性及热力 学性能均得以提高，但换热量并没有得到显著地提高，说明对于研究工况下的换 热过程而言，单一地增加换热面积并不能大幅度提高换热量。模拟结果和实验数 据问基本吻合，但是由于测量手段及换热器的流动方式( 错流方式) 等综合因素造 成一定偏差。本文为新风换热器的进一步优化及其进一步开发研究提供了实验和 理论基础。 关键词：新风换热器熵产分析数值模拟建筑节能通风 a b s t r a c t t h em o d e r nc i v i l i z a t i o nb r i n g st h ec o m f o r t a b l el i f e ，b u ti ti sa l s od e s t r o y i n g h u m a n i t y sl i v e l i h o o db a s i ce n v i r o n m e n t i n d o o ra i rq u a l i t y ( i a q ) ，h a sb e c o m eo n eo f t h et o p i c st ow h i c hw a sm o s tp a i da t t e n t i o nd u r i n gt h e21s tc e n t u r y v e n t i l a t i o n ，w h i c h p r o v i d e st h em a s s i v ef l e s ha i rf o rt h er o o m ，i so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e a n sw h i c h c a ni m p r o v ei n d o o ra i rq u a l i t y h o w e v e li ta l s oi n c r e a s e st h ef l e s ha i rl o a d ，w h i c h m e a n st h ei n c r e a s eo f t h eb u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c y t h ef r e s ha i rh e a te x c h a n g e r w h i c hh a n d l e st h ef r e s ha i rb yu s i n go ft h ee x h a u s t e da i r , c a ns o l v ee f f e c t i v e l yt h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e ni m p r o v i n gt h ei n d o o ra i rq u a l i t ya n ds a v i n gt h ee n e r g y an e ws t y l eo ff l e s ha i rp l a t eh e a te x c h a n g e rw a sd e s i g n e da n ds i m u l a t e db yt h e m e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dv e r t i f i c a t e db yt h ee x p e r i m e n t a ld a t a i t s t h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c ew a sa p p r a i s e da n di t ss t r u c t u r ew a so p t i m i z e d d u r i n g t h es t u d y i n g ，d i s t r i b u t i o no ft h eh e a te x c h a n g e ri n t e r n a lv e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r e f i e l d ，t h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dh e a t - t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fh e a te x c h a n g e r w e r es i m u l a t e da n da n y l y s i z e d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nb a s e do nt h ee n t r o p y g e n e r a t i o na n l y s i st ot h ef r e s ha i rh e a te x c h a n g e r ；o p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e do nt h e p r i n c i b l ee n t r o p yg e n e r a t i o nm i n i m u mt oh e a tt r a n s f e rp l a t el e n g t ha n dp l a t es p a c i n g r a t i ol 伪 u n d e rt h er e s e a r c ho p e r a t i n gc o n d i t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tf r i c t i o n c o e f f i c i e n t0o ft h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i cn o r md e c r e a s e sm o n o t o n e l ya l o n gt h e f l o wl e n g t ha n dt e n d st os t a b i l i t y , a n dt h e d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef l o w ； t h en un u m b e ro ft h eh e a t - t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i cn o r m sc h a n g e s q u i t eg r e a t l yn e a r b y t h ei m p o r te n d ，a n dt h en u ，”i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo ft h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n d t h ef l o w ；t h eh e a tt r a n s f e ri r r e v e r s i b i l i t ym a i n l ye x i s t si nt h ei m p o r te n d t h ee n t r o p y g e n e r a t i o nn u m b e rn si n c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo ft h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt h e f l o w ；t h et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ec o r es t r u c t u r ei se n h a n c e da f t e r o p t i m i z e d ，a n dt h eh e a tt r a n s f e rq u a n t i t yi sn o te n h a n c e dr e l a t i v e l y , w h i c hi n d i c a t e t h a tt h es i n g l ei n c r e a s eo fh e a tt r a n s f e ra r e ac a n n te n h a n c et h eh e a tt r a n s f e rq u a n t i t y i nr e l a t i v el a r g es c a l eu n d e rt h er e s e a r c ho p e r a t i n gc o n d i t i o n ；t h es i m u l a t i o nr e s u l t s d e v i a t ef r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，b e c a u s eo fm e a s u r i n gm e a n sa n dt h ef l o ws t y l eo f t h eh e a te x c h a n g e ra n ds oo n t h i sa r t i c l eh a sp r o v i d e dt h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r yf o r f u r t h e ro p t i m i z a t i o na n dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tr e s e a r c ho ft h ef r e s ha i rh e a t e x c h a n g e r k e yw o r d s ：f r e s ha i rh e a te x c h a n g e r ，e n t r o p yg e n e r a t i o na n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，b u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c y ，v e n t i l a t i o n 天津大学硕士学位论文 新风板式换热器的流动与传热特性 符号说明 一面积 一表面摩擦系数 一 比热 一水力直径 一摩擦系数 一 单位面积流量 一 无因次单位面积流量 一 板间距 一 板长 一 质量流量 一熵产单元数 一 努赛尔特数 一压力 一普朗特数 一气体常数 一雷诺数 一熵产率 一 局域熵产 一斯坦顿数 一温度 一 体积流量 一 距离 一 压降 一 无因次温度 m m j 。 j k g m m k g ( m 2 - h 1 m m m m k g h p a 2 8 7 0 5 j ( k g 、 j ( k s 1 j ( i ( m a s ) m h m m p a 彳9印d厂g酽厅m m m p厅r胎躁&r y z 凹岔 天津大学硕：j ：学位论文新风板式换热器的流动与传热特性 希腊字符 卢 p a 6 矿 s 下标 粘度 密度 一 导热系数 一板厚 一 耗散函数 一效率 一冷空气 一热空气 一进口 一平均 一出口 一最优 5 2 p a - s k g m 3 w ( m 2 ) m m f c 厅 m d 叩 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进 亍的研究工作和取得：，j 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：声； 嘶签字日期：功年，月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 答字日期：唧年 导师签名： ，一一 乙耆 签字日期：矽7 年f 月7 日 嘶押 力1步 ， 1 日盯看 现代文明带来舒适生活的同时，也破坏着人类赖以生存的基本环境。其中， 室内空气品质( i a q ) 已成为二十一世纪最受关注的课题之一。特别是在经历了 2 0 0 3 年全球爆发的s a r s 疫情后，人们对建筑、空调系统的安全性进行了深层 的反思，更加清醒地意识到“加强室内外通风换气比消毒更重要”，意识到改善 室内空气品质、保持公共场所通风换气的重要性和艰巨性。 建筑能耗是我国的能耗大户，2 0 0 0 年全国建筑能耗为3 5 6 亿t 标准煤，占 全国总能耗的2 7 8 。随着国民经济的不断发展及人民生活水平的不断提高，空 调能耗在我国建筑能耗中的比重也迅速增长，逐步成为建筑能耗中的一个主要部 分。随着建筑外维护结构的保温性能日益提高，新风负荷所占比例日益增大，一 般占空调总负荷的2 0 3 0 ，更高者可达4 0 5 0 。新风的引入和室内空气 的排出可保证室内环境卫生，但也必然会带走部分能量，同时又要投入能量对新 风进行处理。 在改善室内空气品质的同时如何节约能量成为一个亟待解决的问题。新风换 热器可以较好地解决这个问题。现有的新风换热器存在成本高，效率低，运行费 用高等问题，板式换热器具有传热系数高、压力损失小、结构紧凑、互换性强、 维修方便和制造简单等优点，对于温度和压力较低的建筑中应用前景十分广阔。 目前对于板式换热器的研究及应用还是停留在传统应用领域，而且对于换热器内 部具体的流动与传热特性研究较少。 本文利用数值模拟的方法对一种新型的新风板式换热器进行了研究，评价了 热力学性能并优化了结构，模拟结果利用实验数据进行了验证。研究中，模拟并 分析了换热器内部的速度和温度的场分布，并对换热器的阻力特性及传热特性进 行了分析：以热力学第二定律熵产分析原理为基础对新风换热器的热力学性 能进行了评价：以熵产最小化原理为基础对新风换热器的换热板板长与板间距的 比值m 进行了优化设计。 模拟结果表明，在研究工况下，表征阻力特性指标的摩擦系数c r 随着冷、 热空气流道长度的增加而单调递减并趋于稳定，平均摩擦系数c 岛随着流量的增 加而递减；表征传热特性指标的努赛尔特数( n u 数) 在冷、热空气的进口端附近变 化比较大，平均努赛尔特数( n u 。数) 随着温差和流量的增加而增加；换热器内对 流换热的不可逆性主要存在于冷、热空气的进口端处，熵产单元数m 随着冷、 热空气温差和流量的增加而增加；优化后的芯体结构的换热过程的可逆性及热力 学性能均得以提高，但换热量并没有得到显著地提高，说明对于研究工况下的换 热过程而言，单一地增加换热面积并不能大幅度提高换热量。模拟结果和实验数 据问基本吻合，但是由于测量手段及换热器的流动方式( 错流方式) 等综合因素造 成一定偏差。本文为新风换热器的迸一步优化及新风换热器的进一步开发研究提 供了实验和理论基础。 2 天津大学硕一i ：学位论文 新风板式换热器的流动与传热特性 1 1 室内空气品质 第一章绪论 现代文明带来舒适生活的同时，也破坏着人类赖以生存的基本环境。其中， 室内空气品质( i a q ) 已成为二十一世纪最受关注的课题之一。 随着社会现代化进程的加快，人们在室内工作和生活的时间越来越长，据国 外的一份调查报告显示，居民平均8 8 的时间呆在室内，7 的时间花费在交 通上，5 的时问是纯粹呆在户外的。粗略计算一下，除去花在交通和呆在户外 以及正常的上班时间每天大概有1 3 个小时是在住宅里的。从这方面来讲住宅内 的空气品质对人体的健康更有绝对意义。 现代建筑为满足舒适性和工艺性两方面越来越高的要求，普遍引入空调系 统，t h - 是随着各种合成材料的使用，建筑装饰越来越多样化，现代办公设备如计 算机和复印机的普及，建筑密闭性的提高，以及为了节能或降低造价而尽可能减 小新风量等原因，从而导致室内污染物的滞留和增加，使得室内产生的有害气体 和生物污染物得不到合理地稀释和置换，c 0 2 含量升高，空气品质劣化，出现各 种呼吸道疾病症状。 为了引起建筑界和空调界普遍重视，世界卫生组织于1 9 8 0 年正式将此类因 室内新风不足和空气污染导致的症状命名为“病态建筑综合症”( s b s ) 即“空调 病”。一些发达国家纷纷采取预防措施，例如美国制定了室内空气品质的国家标 准( a n s i a s h a r e e 6 2 1 9 8 9 ) 进而颁布了空气净化法，将保证室内空气品质 提高为司法强制制度，保证空调房间的空气品质和新风供应问题，成为空调设计 师和建筑师必须考虑的问题。 在我国，随着经济的持续发展，人们对生活质量和生活环境的要求越来越高， 2 0 0 3 年3 月1 日，我国颁布实施了由国家卫生部和环保总局制定的第一部室 内空气质量标准，标志着我国已经建立起室内环境污染控制和评价体系，规范 了评价室内外环境的检验标准，对我国的室内环境事业具有深远的意义。在经历 了2 0 0 3 年全球爆发的s a r s 疫情后，人们对建筑和空调系统的安全性进行了深 层的反思，更加清醒地意识到“加强室内外通风换气比消毒更重要”，意识到改 善室内空气品质和保持公共场所通风换气的重要性和艰巨性。 如何有效地解决室内空气污染，提高室内空气品质，已经越来越多地受到人 第一章绪论 们的关怀。环境人员研究发现，保证室内的流通，使室内的空气尽量接近自然状 态，如增加通风量来稀释空气并排放室内的污染物。通风换气，向室内提供大量 的新鲜空气是改善室内空气品质的最有效办法之一。健康、节能、简捷和可靠的 新风系统和新风设备已成为建筑及空调设计者和使用者普遍关注地焦点。然而， 提高新鲜空气供给量，意味着增大空调新风负荷，同时也意味着使空调的能耗不 断的增加。因此，在改善室内空气品质的同时如何节约能量成为一个亟待解决的 问题。 1 2 新风负荷与建筑节能 1 2 1 建筑能耗与建筑节能 建筑能耗可以有两种定义方法：一种是狭义建筑能耗( 或称为建筑使用能 耗) ，它是指建筑物在使用过程中所消耗的能量，其中包括用于供暖、通风、照 明、家用电器、输送、动力、烹饪、给排水和热水供应等的能耗。另一种是广义 建筑能耗，是指从建筑材料生产制造、建筑物建设施工，一直到建筑物使用的全 过程所消耗的能量。与国际上的认识和统计方法相一致，我国目前所称的建筑能 耗，是指狭义建筑能耗，即建筑使用能耗。 据美国能源部2 0 0 0 年调查资料显示，目前欧美等发达国家的建筑能耗占社 会总能耗的3 0 , - - 4 5 。其中法国建筑能耗占社会总能耗的比例最高，达到4 5 ；以下依次为英国、加拿大、德国、美国、意大利和日本。建筑能耗是我国的 能耗大户，2 0 0 0 年全国建筑能耗为3 5 6 亿t 标准煤，占全国总能耗的2 7 8 ， 在我国的建筑能耗中，采暖能耗占的比例很大。我国采暖区域人口占全国总人口 的1 3 6 ，采暖能耗却占全国总能耗的9 6 ，发达国家建筑用能更是占全国总 能耗的3 0 q 0 ；随着国民经济的不断发展及人民牛活水平的不断提高，空调 建筑的迅速增加，空调能耗在我国建筑能耗中的比重也迅速增长，逐步成为建筑 能耗中的一个主要部分。在建筑物的空调负荷中，新风负荷所占比例比较大，一 般占空调总负荷的2 0 - - - - 3 0 。为保证室内环境卫生，要排走室内部分空气，必 然会带走部分能量而同时又要投入能量对新风进行处理。 随着全球可利用能源的日益枯竭，大气环境的逐步恶化，人类己开始注意到 建筑节能势在必行，并逐步认识到建筑节能既是节约能源，又是减少环境污染的 一项一举两得的旷世工程。首先，建筑节能是减轻大气污染的需要。近年来，由 于燃料燃烧导致的环境污染成为危及人类生存的问题，大气污染物中的二氧化 硫、氮化物、悬浮颗粒等污染因素指标均与采暖用煤有关，以煤炭为主的能源结 4 天津大学硕士学位论文 新风板式换热器的流动与传热特性 构条件下更是如此。以我国北京市为例，每年在进入供暖期时都要进行环境的跟 踪检测，结果相应的几个污染因素指标与非采暖期相比都不能达标，甚至大大超 过标准。可见，采暖能耗的节约有利于人居环境的改善。 同时，建筑节能是改善热环境的需要。随着经济的发展，人民生活水平的提 高，舒适的热环境已成为人们生活的需要，发达国家适宜的室内温度已经成为基 本的劳动需求，全球气候的改变使舒适的环境要求建立在能耗的基础上，我国大 部分地区属于冬寒夏热气候，宜人的室内热环境常常依赖人工空调系统调节，需 要消耗大量的电能。能源的紧缺、大气环境的继续改善，注定了只有在节能条件 下改善热环境才有意义。 综上所述，建筑节能成为世界潮流是一种客观的社会需要，是一种历史的必 然。 1 2 2 建筑节能技术 建筑节能技术主要包括建筑嗣护结构、设备节能等。其中同护结构节能技术 包含保温和隔热两方面，主要包括外墙的保温隔热、门窗的节能和屋顶的节能等 技术措施。设备节能则主要体现在提高供暖( 空调) 系统效率及热过程计算方法和 软件科学，如采暖、通风及空调的专家系统、动态热过程的随机计算方法等的发 展。 上述方法是以减少使用常规能源，节约能源为目的，节能技术是从节流的层 面上展开的，真正的节能技术应该是既节流又开源，节流开源同步进行。在节约 能源的同时开发利用新能源，如太阳能等可再生能源。太阳能的利用主要包括太 阳能的热利用和太阳能的光利用两方面。太阳能热利用主要包括太阳能热水器、 被动式太阳房、太阳能空调、太阳能干燥器等；太阳能光利用主要包括光伏发电、 光化学制氢和自然采光。太阳能在建筑领域的应用是非常有意义的，同时它也是 现阶段太阳能应用最具发展潜力的实用领域。另外风力，地热等其它可再生能源 也被广泛地应用于建筑中。 上述节能技术日趋成熟，但是都没有降低新风负荷，而新风负荷随着围护结 构节能标准的提高，所占建筑能耗的比例也日渐增长，因此，降低新风负荷的节 能技术更具发展潜力。 1 2 3 新风换热技术 为保证室内环境卫生，需要新鲜空气，要排走室内部分空气，必然会带走部 分能量，而同时又要投入能量对新风进行处理。如果在系统中安装能量回收装置， 利用新风和排风进行热交换能有效地解决改善室内空气品质与节约能源的矛盾， 第一章绪论 不但增加了室内的新风供给量，同时也回收了排风的能量，降低了新风负荷，提 高空调系统的经济性。 新风换热器属于传统换热器中的气气换热器，建筑中的新风余热回收是由 于能源或环境提出来的，真正的为建筑领域设计的换热器并不多，现在大多数的 仍然还是传统的换热器应用于建筑领域。 郑钢【2 j 介绍了空调排风系统冷热量回收、冷凝器冷凝热回收以及冷凝水的冷 量回收装置的结构和工作原理，并对不同类型的热回收装置进行了比较，具体见 表1 1 。 表1 1 不同类犁的新风能景回收技术的比较 麓量回收系统敷设备蟾护辅助占耀交叉 自身接管灵抗璩 重 费用保葬设备空间污碴惩能活性 能力 转轮换熟嚣高高中 无 九有 少差老 板翅式星热换热嚣 低怔中 无大无无差e | l 扳赶武全鞠挟热器高 中中 无大有无差 由 热罾揍攘嚣牛中易 毫 小无无中 好 中阃冷赚式挠煞嚣 低低薏 有 中 无多好中 其中，转轮式换热器具有夏季能实现新风的降温去湿，冬季能实现新风的升 温加湿等优点，对其研究主要包括寿旭日和刘毅【3 】提出了转轮式全热交换器的设 计方法，解决了它的性能计算模型，并进行了结构优化设计，分析了性能与结构 和运行的关系，总结了结构和运行的基本选择范围。寿旭日【4 】在建立设计方法的 基础上，提出了转轮式全热交换器机壳设计、密封、自净、减速等技术关键的解 决方法，并介绍了该装置的计算机测试系统及实验方法等。连锦杰【5 】介绍了改善 室内空气品质与节省能源之蜂巢式陶瓷除湿轮与全热交换空气清净机的构造、原 理及其性能与应用场合。 热管式换热器具有新排风两者问不会发生交叉污染及冷热流之间温差较小 时也能得到一定的回收效率的优点，最近发展比较快，文献【】等分析了热管换 热技术在近室温工况下节能应用的技术适用性及其与工业应用的条件差异；对热 管换热器结构形式、材料选择和最佳充液率等参数的确定以及通风空调节能、太 阳能利用、地热能利用、低品味废热利用和热管供热系统等工程应用途径和形式、 设计方法和原则等一般工程问题作了系统分析，为实际工程应用和设计提供参 考。 新型板翅式全热回收器的特点是隔板和板翅的材质为一种具有良好传热和 透湿性而不透气的纸，当进排气的两侧存在温差和水蒸气压力差时就会产生热湿 交换，从而实现全热回收。文献( 1 通过对板翅式交换器的结构和原理，热回收效 率及经济性的分析。汪妇欢和次晋芳【l o 】对板翅式全热交换器在不同运行条件下的 6 天津大学硕士学位论文 新风板式换热器的流动与传热特性 性能进行了实验研究，分析了性能参数和运行参数之间的关系，指出了风量与阻力 损失、空气温湿度差与换热效率的关系。 另外，国内外学者对各种类型的热回收技术在不同工况下的性能进行了对比 研究，庄琛掣分别对用于宾馆排风能量回收的热管换热器和转轮全热交换器进 行了节能和经济性计算及比较，综合考虑节能和经济两方面因素。高凤龙【lz j 通过 对热管换热器同转轮式全热交换器各自特点以及冬夏季节能效果比较，建议应根 据具体情况进行选用，才能达到预期节能效果。 板式换热器是人们很熟悉的一种高效紧凑式换热器，由于它具有传热系数 高、压力损失小、结构紧凑、互换性强、维修方便和制造简单等优点，对于温度 和压力较低的建筑中应用前景十分广阔。郭建和唐志伟【1 3 1 5 】等自行设计加工了 一种板式通风换热器，就其设计特点和结构形式分别进行了论述，通过模拟空调 房问夏季室内外工况对该通风换热器进行了性能测试，得到了该换热器的换热性 能及流动阻力情况。徐百平等【1 6 】提出了减少流阻强化传热的新结构，开发了一种 置于板问的扰流元件，并对其进行实验研究，得到相应的传热及流阻表达式。罗 棣庵和焦芝林【l7 】提出一个超低流阻板式换热器的改型方案，并对这种改型换热器 进行了流阻和传热的实验研究。徐百平等【】8 】提出了减阻强化传热的概念，开发了 一种新型的扰流件用来实现超低流阻板式换热器的减阻强化传热，并通过实验研 究给出了相应的传热及流阻关联式。 1 3 板式换热器的研究现状 换热器研究方法包括实验方法和理论研究两种方法，上面的实验研究获取了 重要的数据，给出换热器整体的压降和传热系数，并提供了准确可靠的试验结果 来验证和评价理论数值模拟结果的唯一标准，但是实验方法不能对换热器的相关 参数进行预测，尤其是内部详细的流场和温度场。所以，对板式换热器进行理论 研究很有必要。目前，这部分的内容主要包括：利用经验总结出的或半经验一半 理论的设计公式和设计参数，对换热器的性能进行前期的预测，以给出整体的性 能参数；利用先进的计算机技术和数值模拟的方法，对于内部的场进行分析，以 进一步地详细了解；同时，为了更好地评价设计参数或模拟参数对最终整体或局 部性能的影响，还有很多换热器内流动与传热的机理分析和相关性能评价方法 等。 1 3 1 板式换热器的设计方法 传统的板式换热器设计选型常用的方法有平均温差法、n t u 法和热混合设 7 第一章绪论 计法等，但是这些方法存在计算过程复杂和计算所用的关联式准确度不高等缺 点。 杨艳和王英龙【l9 】提出了以冷热流体流速表征换热器传热系数与压降的模型， 并在此基础上提出了一种板式换热器的选型计算方法，并使用通用的程序设计语 言d e l p h i7 0 实现了该计算方法的程序化。刘艳等【2 0 j 介绍了板式换热器的常用板 片结构和特点以及设计选用时需要考虑因素，分析了板片的波纹形式及几何参 数对换热性能的影响，并通过实例对特定条件板型尺寸对板片换热性能的影响 进行了分析比较。倪晓华等【2 l 】对目前文献中发表的一系列单相、两相流体的换热 系数及压降计算式进行了总结，并对它们各自的优缺点做了探讨，为系统仿真和 板式换热器的设计计算提供了借鉴。董超俊【2 2 】在w i n d o w s 9 5 平台上，综合利用 v i s u a lb a s i c 、a u t o c a d 及t u r b oc 等软件开发了板式换热器的可视化计算机辅助 设计系统，该系统主要适合暖通空调制冷行业中板式换热器的设计，使用者只需 输入几个参数，系统便能自动完成从设计计算到绘图的全过程。w a n g 和s u n d e n 2 3 】 以充分利用可允许压降为目标，建立了表征传热、压降和换热面积三者关系的热 力学模型，并以该模型为基础提出了两种设计方法：有可允许固定压降的设计和 没有可允许压降的完全设计，并对板片型式进行了优化设计。 在传统的板式换热器优化设计中，优化方法是将板式换热器型号、流程数和 通道数进行枚举运算，对每一种型号、每一种流程组合型式进行排列组合后进行 计算，其缺点是数值大时，会使计算量增加，且对取值范同有特殊要求的重要变 量优化运算后不一定满足要求。商建平，俞树剁2 4 】采用遗传算法对板式换热器进 行优化设计，给出了设计优化的数学模型、遗传算法计算方法和优化设计实例。 陈维汉【2 5 】综合应用了给定换热器结构材料而使得换热量最大的两侧换热表面的 最佳匹配准则和使可用能损失率最小的最佳运行参数准则，利用两个准则问的关 系，采用迭代的方式完成换热器的优化设计。陈维汉等【2 6 】对换热器的传热方程和 投资费用方程进行了微元分析，以传热量不变下投资最小为目标函数，导出各种 给定条件下的两侧换热面的最佳匹配关系，揭示了投资费用和换热性能对换热表 面匹配的综合影响，并以圆肋管的传热过程在表面选择的优化过程为例予以验 证。陈维i 又【2 7 】从换热器的传热方程和投资费用方程出发导出换热器两侧换热表面 与换热性能的最佳匹配准则关系式，在考虑投资费用前提下两侧换热表面的选择 应遵循的不等效匹配原则，还针对两侧肋化的情况推导出最佳匹配关系式。 1 3 2 换热器的数值模拟 计算流体力学和数值传热学是近代流体力学、传热学、数值数学和计算机科 学结合的产物，是- - f - 具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应 天津大学硕士学位论文新风板式换热器的流动与传热特性 用各种离散化的数学方法，对流体力学和传热学的各类问题进行数值试验、计算 机模拟和分析研究，以解决各种实际问题，在科学研究和工程技术中产生巨大的 影响。目前比较好的c f d 软件有：f u l e n t 、c f x 、p h o e n i c s 和s t a r - c d 等。 1 3 2 1 数值模拟的优点 板式换热器一般采用实验方法和数值模拟两种方法，其中实验方法是获取重 要数据的手段，但是实验方法只是给出换热器整体的压降和传热系数，不能预测 换热器内详细的流动和换热。事实上，详细的流场和温度场对于更好地了解换热 器运行以及换热器的设计研究是很重要的。在某种程度上，数值模拟能很好地弥 补实验方法的缺陷，与实验方法相比有如下优点： ( 1 ) 模拟能力强一计算机模拟技术既能模拟真实条件，又能模拟某些理想化的 假定，拓宽了实验研究的范围，便于分析研究各种情况下的换热器的运行特性， 并减少了实验的工作量。 ( 2 ) 数据完整一数值计算可以得出换热器内部的流场、温度场及压力、传热系 数等参数的分布，据此，可以详细分析换热器内管柬结构等的布置的合理性。 ( 3 ) 经济性好一数值计算的费用远远低于实验研究的费用。 ( 4 ) 周期短一实验方法需要的时间远远多于数值计算所用的时间，并且可以从 各种参数的大量匹配组合中选择多种方案进行比较，选择最佳的快速性和灵活性 参数比，是实验研究所无法比拟的。但是其计算结果的准确性及可靠性在很大程 度上以来研究人员的经验。因此，人们越来越认识到基于一定实验数据的数值模 拟分析是获得复杂物理问题详细解的一个节约投资、减少浪费及方便可行的途 径。 1 3 2 2f l u e n t 模拟软件 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 推出的c f d 软件。它是继 p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是 目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。f l u e n t 提 供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括三角形、四边形、 四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型 非结构网格。它允许用户根据解的具体情况对网格进行修改( 细化粗化， f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它可读入多种c a d 软件的三维几何 模型和多种c a e 软件的网格模型。 f l u e n t 可用于二维平面、二维轴对称和二维流动分析，可完成多种参考系 下流场模拟、定常和非定常流动分析、不可压流和可压流汁算、层流和湍流模拟、 9 第一章绪论 传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传 热分析和多孔介质分析等。它的湍流模型包括1 ( 模型、r e y n o l d s 应力模型、l e s 模型、标准壁面函数和双层近壁模型等。 f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件和壁面边 界条件等，可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均 可随空间和时问变化，包括轴对称和周期变化等。f l u e n t 提供的用户自定义子 程序功能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中 的体积源项，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标量方程和多 孔介质模型等。 1 3 2 3 板式换热器内部的流动与传热 李大鹏掣2 8 】通过有限元法计算了波纹板式换热器板间的温度场与速度场分 布情况，计算结果通过图示表明八种波纹板板型的传热与流动性能。杨勇【2 9 】采用 曲线坐标下的低雷诺数模型对波纹板式换热器进行了数值模拟，得到了流场与温 度场分布，并分析了在换热器冷、热流体流量相差较大时特殊的对流换热曲线。 赵镇南【3 0 】运用并联联箱流量分布精确解的结果对流量非均匀分布导致的板式热 交换器在典型运行工况下传热性能的下降作了计算和分析，指出当冷、热流体进 出口均位于换热器同一侧时，各分支通道的传热量不均匀性相当严重，但是总传 热量变化不大，当两流体进出口分别位于换热器两侧时，传热分布的均匀性虽然 有了明显改善，但总传热量却比按均匀分布计算偏低近2 0 。吴继臣和陈晓杰1 3 l j 指出板式换热器的传热和阻力特性受工质的普朗特数、运动粘度、导热系数和密 度的影响，分析了温度对板式换热器传热和阻力的影响，并以实例说明了温度对 板式换热器性能的影响。王书中等【3 2 】在合理假设的基础上，根据流道和换热平板 的质量、能量守恒方程，建立了无量纲动态仿真数学模型，考虑了流体沿流动方 向的导热扩散特性、换热平板的金属蓄热以及沿径向的导热对出口温度瞬态响应 的影响，得到了阶跃扰动和频率扰动下的出口温度的响应曲线。 1 3 3 板式换热器的性能评价 一台符合生产需要又较完善的换热器应满足以下基本要求：1 保证满足使用 过程要求的热负荷；2 强度足够及结构合理；3 便于制造、安装和检修；4 经济 上合理。在符合这些要求的前提下，尚需衡量热交换器技术上的先进性和经济上 的合理性问题，即所谓热交换器的性能评价问题，以便确定和比较热交换的完善 程度。广义地说，热交换器的性能含义很广，有传热性能、阻力性能、机械性能 和经济性能。换热器的热力学性能，不仅与换热本身的几何形状和材料有关，而 l o 天津大学硕士学位论文新风板式换热器的流动与传热特性 且取决于热交换的各介质热力性质、热力状态以及流动情况等因素。换热器的性 能评价一直受到人们的重视，并产生了各种不同的评价方法，总的来说分为两类： 一是以热力学第一定律为基础的性能评价方法；二是以热力学第二定律为基础的 性能评价方法。 1 3 3 1 热力学第一定律为基础的性能评价 以热力学第一定律为基础的性能评价方法包括单一热性能评价方法和综合 热性能评价方法，其中： 单一热性能评价方法以热交换效率、总的传热系数、压力降为性能指标的评 价方法，其特点是性能指标能直观地从能量的利用或消耗方面，描述换热器的传 热及阻力性能，适合工程上的应用。 综合热性能方法是将传热量( 或传热系数) 与流动阻力损失相结合，采用比 较这两个量相对变化大小的方法。詹宗勉等3 3 】介绍了两种评价换热器的传热及流 阻综合性能系数三，一是消耗单位泵功率所得的热流率( e = q n ) ，二是认为换热 器传热性能的优劣取决于换热系数，即e = a n o ，n o 为单位时问对于每平米壁面 输送流体所需泵功，分析了两种评价方法的优劣，通过实例指出应用换热器系数 e = q n 作为判别板式换热器板型优劣的评价指标，其概念清晰并易掌握。 上述两种评价方法的指标共同点都是只能从能量利用的数量上来反映换热 器的热性能。 1 3 3 2 热力学第二定律为基础的性能评价 该方法以热力学第二定律为基础，综合考虑传热的数量、传热的质量( 可用 能) 和流动阻力三大因素，考察能量利用在量的守恒性和质的差异性，全方位地 考察换热器中的质量、能量和动量的传递过程，其方法为熵产分析法和火用分析法， 二者在本质上均为以热力学第二定律为基础的分析方法。 换热器是不可逆损失较为集中的热力系统，对换热器的熵产分析国内外已有 相对较多的文献发表，集中在换热器尺寸优化、不同流动形式的换热器的比较和 紧凑式换热器的分析与优化等。 1 3 3 3 熵产分析 ( 1 ) 熵产分析原理 熵产分析就是在熵产生概念的基础上，对实际系统的实际过程依据传热学和 流体力学的知识计算出熵产分布，得到不可逆损失的分布情况，进而实现减小不 可逆损失或优化不可逆损失分布的目的，后者称为“熵产生最小化 ( e n t r o p y 第一章绪论 g e n e r a t i o nm i n i m i z a t i o n ，e g m ) 原理。因此，熵产分析属于热力学、传热学和流 体力学的交叉范畴，它不仅要发展自身的分析方法和评价指标，扩大分析对象， 而且要吸收利用传热学和流体力学的研究成果与研究方法。熵产分析是个十分活 跃和广阔的研究领域。 换热器是不可逆损失较为集中的热力系统，其热交换过程主为对流换热过 程，熵产生主要是由两部分组成，即非零温差对流传热引起的熵产和粘性流动引 起的熵产。 ( 2 ) 研究现状 国内外学者对基本传热过程进行了熵产分析，并得到了相关结论。在对流换 热流场中，文献【3 7 】取流场中的微元体进行分析，得到了对二维和三维流场都 适用的局部熵产率方程的表达式，其中b e j a n t 了7 】就强迫流动的四种形式管内 流动、流经平板、横掠圆柱和流经方形流道进行了熵产分析，得到了熵产随流道 几何参数的变化规律和熵产分布曲线。a b u h i j l e h 3 8 】研究了流经圆柱的对流流场 中熵产生的解析解。c h e n 9 1 3 9 j 对流经带有肋片的流道的对流换热熵产进行了数值 模拟。吴双应【删以工程上常见的管内对流换热的两种典型工况恒壁温和恒热 流为条件，采用数值模拟的方法，对管内层流换热的进口段的不可逆性进行研究。 b a y t a s t 4 1 】对一个多孔空腔的自然对流的熵产进行了数值模拟。s a n 4 2 j 研究了在层 流和紊流流动时，定热流密度和定壁面温度下对流换热熵产生和绝热对流传质熵 产生。文献( 4 3 埘】研究了在内部流动和外部流动时复合传热传质过程的熵产生。 文献【4 5 埘】将不可逆过程热力学的概念和研究方法引入了熵产分析。 将不可逆过程热力学或非平衡热力学的研究方法应用于熵产分析，目前仅停 留于理论分析阶段。由于传热传质过程的复杂性，联立方程多，一般不能得到熵 产生的分析解。应用传热学和流体力学的研究方法，对流场和温度场进行数值模 拟，得到流场中熵产生的分布，从这方面讲，对流传热传质熵产分析对传热学和 流体力学有着强烈的依赖性。 上段对基本传热过程的熵产分析进行了综述，国内外学者对不可逆损失较为 集中的热力系统一换热器进行了详细的研究。杨波涛【4 8 】分析了热交换器的熵产， 并结合具体的给定传热温差的管壳式热交换器的设计得出雷诺数、管内外壁温及 熵产随总传热系数的变化趋势。陈维汉和钱壬章【4 9 1 从热力学第一及第二定律出 发，分析换热器传热过程的熵产率，建立了传热过程的熵产率关系式，并以此对 同心套管换热器和顺排管束空气预热器的传热及流动性能进行定量分析，进而寻 找使熵产率最小时换热器的