（工程热物理专业论文）人字形板式换热器强化传热研究及场协同分析.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。目前板式换热器被广泛地 应用在采暖、生活热水、空调、化工、石油等领域，随着应用范围的不断 扩大，迫切需要对使用油类介质的低雷诺数流动和换热其进行更深入的研 究。 本文选取波高3 8 m m 、波距1 3 4 m m ，人字形波纹角度分别为3 0 9i 6 0 。 ( 工程上常称为“软 “硬板片) 的混合板式换热器作为实验研究对象， 搭建了板式换热器流动换热性能实验台，进行了水一水、水一油换热实验。 得出了人字形板式换热器在雷诺数1 0 0 0 r e 1 0 0 0 0 和3 0 r e 3 0 0 范围内 的换热准则方程式和摩擦系数关系式，换热器的换热因子和摩擦因子以及 面积质量因子随雷诺数的变化趋势，并与管壳式换热器进行对比。 为了迸一步探索人字形板式换热器在低雷诺数下的换热和阻力特性， 本文对波纹角度p = 2 0 。7 0 。，波高h = 3 m m 6 m m ，波距l = 1 0 m m 一2 5 m m 范围内的多组几何参数的人字形板式换热器进行了数值模拟，得出了人字 形板式换热器的三个波纹参数对换热与阻力特性的影响规律：( 1 ) 相同雷 诺数下，换热因子随着波纹角度的增大先增大后减少，在波纹角度6 0 。时 达到最大值。摩擦因子随着波纹角度的增大而增大。面积质量因子7 矿随 着波纹角度夕的增大而减少；( 2 ) 相同雷诺数下，换热因子和摩擦因子的 变化趋势基本一致，均随波距的减少而增大，面积质量因子随着波距 的增大而增大；( 3 ) 相同雷诺数下，换热因子和摩擦因子均随波高的增大 而增大，但是随着波高的增加，换热因子，增加较快，而摩擦因子厂增加 较慢，导致面积质量因子随着波高的增加而增加。 在数值计算的基础上，综合分析了波纹角度、波高以及波距对换热与 流动特性的影响，并通过对计算数据的拟合得到了人字形板式换热器在 3 0 r e 2 4 0 范围内的换热准则综合方程式和摩擦系数准则方程式。 场协同理论作为研究对流强化传热机理的新的理论工具，已经被应用 于对多种强化换热现象的分析，本文运用场协同理论对人字形板式换热器 强化换热规律进行分析，得出了场协同积分余弦值随波纹角度、波高和波 i 山东大学硕士学位论文 距的变化规律：随着波纹角度的增加而先增大后减少，波纹角度6 0 。时达 到最大值：随着波高的增加而逐渐增加；随着波距的增大而逐渐的减少。 通过对比，可以发现场协同积分余弦值与换热因子随波高的变化趋势基本 一致，场协同理论可用于指导板式换热器的设计改进和对板式换热器的强 化换热效果进行评价。 关键字：人字形板式换热器、强化换热、阻力、场协同 i i 山东大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t p l a t eh e a te x c h a n g e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e da n dd e v e l o p e df o rm a n y y e a r s i ti sn o wu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha sp e t r o l e u m ，d o m e s t i ch o tw a t e r ， a i r - c o n d i t i o n ，c h e m i c a l w i t hi t sa p p l i e df i e l d se x t e n d i n g t h ef u r t h e rs t u d y i su r g e n t l yn e e d e d i nt h i sp a p e r ，s o f ta n dh a r dw a v ef o r mp l a t eh e a te x c h a n g e rw i t hw a v e a n g l eo f 3 0a n d6 0 ( w a v eh e i g h t3 8 m m ，w a v ed i s t a n c e1 3 4 m m ) a r es e l e c t e d a se x p e r i m e n to b je c t s h e a te x c h a n g ee x p e r i m e n tt a b l ei se s t a b l i s h e dt o c o n d u c tw a t e r - w a t e ra n dw a t e r - o i lh e a te x c h a n g ee x p e r i m e n t t h r o u g ht h e p r o c e s s e dd a t a ，s u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fw a t e rs i d ea n do i ls i d ea r e o b t a i n e dr e s p e c t i v e l ya n da r ec o m p a r e dw i t hp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t f o rf u r t h e rs t u d yo fr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nl o wr e c o n d i t i o no ft h ec h e v r o n - t y p ep l a t eh e a te x c h a n g e r ，t h r o u g ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o rt h ew a v e dp l a t ei nt h ebr a n g eo f2 0 q 7 0 0hr a n g eo f 3 m m - 6 m ma n d 三r a n g eo f10 m m - 2 5 m m t h ei n f l u e n c el a wf o rt h er e s i s t a n c e a n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so nt h et h r e ep a r a m e t e r so fc h e v r o n - t y p ep l a t e h e a te x c h a n g e rc a nb eb r i e f e da sf o l l o w s ：( 1 ) w i t ht h e i n c r e a s i n g ，t h eh e a t t r a n s f e rf a c t o rji n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e s w h e nt h e i s6 0 0 ，t h ej r e a c h e si t sm a x i m u m f r i c t i o nf a c t o rfi n c r e a s e sw i t h t h e p i n c r e a s i n g c o m p r e h e n s i v ee f f e c tq u a l i t yf a c t o rj fd e c r e a s e sw i t ht h e1 3i n c r e a s i n g ( 2 ) w i t h 三d e c r e a s i n g ，t h ef a n dt h ejb o t hi n c r e a s e b u tw h e nl i n c r e a s e s ，t h ej f a l s oi n c r e a s e s ( 3 ) w i t hh i n c r e a s i n g ，b o t hja n dfi n c r e a s e ，b u tji n c r e a s e i n c r e a s e sm o r eq u i c k l yt h a n f ，t h ej f i n c r e a s e sw i t hh i n c r e a s i n g b a s e do nt h em a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h es i m u l a t i n gd a t a ，t h ei n f l u e n c e o th ，l ，f o nt h er e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e da n dt h e c r i t e r i o ne q u a t i o n so fh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nc o e f f i c i e n ti nt h er e y n o l d s n u m b e rr a n g e30 r e 2 4 0f o rc h e v r o n t y p ep l a t eh e a te x c h a n g e rh a v eb e e n i 山东大学硕士学位论文 f i t t e d t h ef i e l ds y n e r g yp r i n c i p l eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e dt oa n a l y z et h eh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n ta san e wt h e o r y t h ef i e l ds y n e r g yp r i n c i p l ei su s e dt o s t u d yt h ec h e v r o n t y p ep l a t eh e a te x c h a n g e ra n dt h ec h a n g el a wo ff i e l d s y n e r g yi n t e g r a lc o s i n ev a l u ew i t h ，h ，l ：w i t h8i n c r e a s i n g ，t h ec o s i n ev a l u e i n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e s ，w h e nt h e8i s6 0 ，t h ec o s i n ev a l u e r e a c h e si t sm a x i m u m t h ec o s i n ev a l u ea l s oi n c r e a s e sw i t ht h ehi n c r e a s i n g a n dd e c r e a s e sw i t ht h eli n c r e a s i n g b yc o n t r a s t ，w em a yc o n c l u d et h a tt h e c h a n g el a wo ff i e l ds y n e r g yc o s i n ev a l u ew i t hhb a s i c a l l ys i m i l a rt ot h ej w h i c hc o u l de x p l a i nt h ep r i n c i p l eo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to ft h ec h e v r o n p l a t eh e a te x c h a n g e r k e y w o r d ：c h e v r o n - t y p ep l a t eh e a te x c h a n g e r h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t i v r e s i s t a n c ef i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e 山东大学硕十学位论文 ! 置皇曼皇曼皇苎鼍曼曼曼! 皇! 曼鼍曼! 詈! 曼量! 曼鼍鼍鼍! 曼皇罡詈! 鼍! ! ! ! ! 舞鼍詈曼! ! 曼! 曼皇曼! 鼍曼皇! 鼍詈曼詈毫! 皇量皇暑毫拿曼穹n 鼍詈鼍鼍皇曼! 鼍! 皇曼 主要符号 符号 a ，么。面积，板片面积m 2 4 。流通截面积，m 2 口 热扩散系数 b板间距，m c 口比定压热容，j ( k g k ) 吃当量直径，m h 、h波纹高度，m k 、k 传热系数，w ( m 2 k ) ，三口板片( 通道) 度，m 形板片( 通道) 宽度，m m通道数 n 流程数 n t u 传热单元数 户波纹间距，m p压力，p a q热量，w 9热流密度，w m 2 g 肼质量流量，蚝s 吼体积流量，1 1 1 3 s u内能，j 可速度，m h 掰、1 i ，、二速度分量，m s v 于温度梯度，。c m 蛾对数平均温差，。c 希腊字母 对流换热系数，w ( m 2 k ) 波纹倾角，口 厚度，m 导热系数，w ( m 2 k ) 运动粘度，m 2 s 动力粘度，p a s 介质密度，k g m 3 时间，s 温差修正系数 角标 1 热流体 2冷流体 入口 出口 t热边界层 w 壁面 f换热介质 0环境 p o r t角孔 v 口 夕 万 旯 y p f 沙 山东大学硕+ 学位论文 址。平均传热温差，。c 厂：掣粤 摩擦系数 三册2 忏1 不州、职 n ：兰 肌等 v i 普朗特数 欧拉数 准则数 r e = 堕 v n u ：堕 a n u ，5 r e p r 1 3 雷诺数 努谢尔特数 换热因子 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：套麴日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作撇燃獬：喊嗍尹夕y 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 板式换热器的应用、构造及特点 r a j u 和b a n s a lj c 【1 1 以及s h a hr k 和f o c k ew w 【2 1 对二十世纪九十 年代之前的板式换热器应用和分类情况进行过总结。板式换热器早期主要 应用在食品加工【3 1 、牛奶和啤酒灭菌4 1 等行业，现在已被广泛用到医药5 1 、 糖提纯【6 1 、制冷与暖通【7 1 、烃n - r 8 1 、余热回收【9 1 、动力t l o j 及石油化- r 1 1 】 等工业领域。 23 456 78 l 一前支拄2 一活动压紧板3 一上导杆4 一垫片 5 一板片6 一固定压紧板7 一下导杆 8 一压紧螺柱螺母 图1 1 板式换热器结构 板式换热器由一系列互相平行、具有波纹表面的薄金属板片相叠而 成，如图1 1 所示。板式换热器以金属板片( 一般厚度为0 5 1 0 m m ) 为换 热元件，由不锈钢、工业纯钛或其他材料的薄板压制而成。通常用模具 将板片压制成各种槽型或波纹形，既可以增大板片的刚度，以防止板片 受压时变形，也增强了流体的湍流程度，增加了换热面积。每个板片的 山东大学硕士学位论文 四角各开有一孔，板片四周卧及孔的周围压有密封垫片槽，并根据需要 在孔的周槽中放置垫片，起到允许流体或阻止流体进入板面之间通道的 作用。将数个板片按照换热要求依次排列在支架上，并用固定压紧板和 活动压紧扳由压紧螺杆压紧，在相邻的板片间就形成了流体通道，借助 板片四角的孔口与垫片两侧的通道进行传热。板片的数目可根据需要进 行增减。除了换热面的金属板片，板式换热器还包括密封垫圈、压紧装置 等附属构件。密封垫圈的作用是防止流体的外漏和两流体之间内漏，它 安装于密封槽中，运行中承受压力和温度，而且受工作介质的侵蚀，因 此其性能对于板式换热器的承温承压和使用寿命有决定性作用；压紧装 置包括固定与活动的压紧板及压紧螺栓，其作用是将垫圈压紧，产生足 够密封力，使得换热器在工作时不发生泄漏。 图12 板式换热器的抉热板片 板片作为板式换热器的关键元件，如图12 所示，其结构设计合理与 否将直接影响到板片的传热性能、阻力性能以及整体的承压能力。目前 已存在百余种核心结构，其主要波纹形式有：人字形波纹( 包括横向人字 形波纹和纵向人字形波纹) 、水平波纹、竖直波纹、斜波纹等。我国生产 的板式换热器的板片结构形式，绝大多数是以人字形波纹为主，属于典 型的网状流动板形结构，其特点是在板间构成的流体通道中，错列地布 满了节点。流体在这些节点间环绕流动，形成螺旋形的前进轨道，从而产 山东大学硕士学位论文 生强烈的扰动。如果加大流体的扰动程度，可以减少层流底层的厚度， 有效提高无相变的对流换热系数，从而达到增大传热系数的目的。实验 证明：对于水介质，当雷诺数r e = 2 0 2 0 0 时，流体即进入湍流状态， 已具有很高的传热系数。为此，在板片上均匀、错落地布置节点，并适 当减小间距，除了可以大大加强板片的整体刚度，还可以承受较大的压 吉皇 12 】 z = 二o 板式换热器与其它类型的换热器相比有许多优点，主要有以下方面 【1 3 】： 1 、由于冷、热流体在传热板狭窄的间隔内流动，不产生短路，压力 损失全部用于有效流动上，因而与管壳式相比在同样压差下具有较高的传 热效率； 2 、板式换热器在同样的热荷载与材质条件下，要比其他换热器的价格 便宜。有时甚至在相同热荷载条件下，不锈钢的板式换热器比炭钢的其它 换热器更便宜； 3 、可以灵活适应生产中热负荷变化的需要，因为传热板片可以随时增 加或减少； 4 、占地面积小，板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳 式换热器的2 - 5 倍，并且不需其他额外的维修场地； 5 、可实现完全或接近于理想的逆流换热，因而有效传热温差比较大； 6 、板式换热器可以方便地在同一个换热器完成两种以上流体之间的换 热： 7 、由于传热系数高，所以传热温差可以选用得很低，因此很适合于低 位能热量的回收，一般来说在经济有利的条件下，管壳式的热回收率通常 只能达到5 0 ，而板式换热器可以高至9 0 ； 8 、一方面由于板式换热器可拆开清洗，另一方面由于波形通道内湍流 剧烈，相同条件下其结垢系数要比管壳式小一个级次( 1 6x1 0 - 6 k m 2 w ) ； 9 、由于流体通道一板间隔距离很小( 2 1 0 m i i l ) ，因此对于高粘度物料 也可起到传热强化作用； 1 0 、其主要部件一传热板片是由金属薄板冷压而成，可以不需其他焊 3 山东大学硕十学何论文 接等热加工，因此许多热加工性能不好的材料也可用来制造板式换热器。 1 2 板式换热器的研究现状 现有板式换热器板片波纹形状以人字形居多，已有大量文献针对波纹 的几何参数( 波纹的间距、高度、夹角等) 对流动和换热的影响进行了研 究。f o c k ew w 【m l 采用有限扩散电流技术，并通过类比关系来估计传热速 率。通过实验观察到了波纹角度对摩擦系数厂和传热因子以及流体流动 形态变化趋势的影响。赵镇南【1 5 l 根据已有实验数据，对波纹几何参数对换 热及流动的影响进行了研究，发现与f o c k ew w 一样的规律。同时得出在 相同的通道阻力降下，无论波纹角度大小，传热速率都基本相等，虽然该 结论是在常物性及统一的0 6 次幂函数等假设下得出来的，但不失为一个板 式换热器基本特性具有重要意义的认识。m u l e y 和r m m a n g l i k t l 6 】通过对不 同形式板式换热器实验结果的分析，将人字形波纹角度和面积扩展系数的 影响考虑到换热系数和摩擦系数的计算中，最终得到包含波纹角度和面积 扩展系数的换热准则方程式和摩擦系数关系式。y a s a ri s l a m o g l u r 7 】对空气 通过水平平直波纹板进行试验，测试不同流道高度对换热与流动阻力的影 响，发现n u 随着流道高度的增加而增大，同时摩擦系数逐渐增大，总体换 热效果并不好，并得出小波高流道换热更好的结论。周明连【l8 】通过流形观 测发现板式换热器内的流量分配不均匀，偏流的存在降低了板式换热器的 传热性能，增大了流阻。在压力降测试的基础上，提出了单元流路分析的原 理和方法，能够定量计算板式换热器内的流量分布，并计算了b r i o 和b r l 2 两种板式热交换器。计算表明，进出口段的波纹形式能显著地影响板式换 热器内的流量偏差。通过误差分析验证了单元流路分析结果的可靠性。 通过实验可以研究综合换热特性和阻力特性，但对速度场与温度场的 分布，研究难度很大，随着计算机技术的发展，数值模拟成了一种重要的研 究方法。k o e ng r i js p e e r d t ，b i r i n e h ih a z a r k a ，d e a nv u c i n i c ”】对人字形板式 换热器分别进行了2 d 和3 d 数值计算，得出结论：通过2 d 计算可以得到波纹 形状的影响，3 d 计算可以得到波纹角度的影响。并通过计算得到优化波纹 的模型。f l a v i oc c g a l e a z z o ，r a q u e lym i u r a ，j o r g ea w g u t 2 0 】通过数值 4 山东大学硕十学位论文 模拟和实验两种方法对由平板构成的换热器进行了换热特性的研究，研究 结果表明数值模拟的有效性以及准确性，并指出数值模拟能进行温度场、 速度场的描绘。c i o f a l o m 等【2 l 】人利用有限元法对波纹板式换热器过渡区 和弱紊流状态进行了数值模拟和实验验证，可为其它板形换热器数值计算 提供参考。阴极翔【2 2 】等通过数值模拟得出波纹通道间距对板内流动与换热 影响规律，即在入口条件相同的条件下，涡流量随着波纹间距的减少而增 大，以h = 2 5 5 为界，继续减少波纹间距，通道内就会出现涡流强度不均匀 现象。张冠敏【2 3 】通过数值模拟研究了波纹板片三个几何参数波纹角度、波 高和波距对波纹板片换热与阻力特性的影响，得出质量因子 i f 随三个波 纹参数的变化规律。金志浩等乜4 3 以室温下的水为介质，以涡量一流函数为 理论基础，运用代数变换法生成适体坐标，通过有限差分对波纹板片内流 场进行了数值模拟；并以r e = 5 0 0 为例，求出了其板内流体的速度场和压力 场，进而对同一周期内和不同周期的速度场和压力场进行分析，给出了速 度和压力分布变化曲线图，得出了不同雷诺数下流动阻力损失变化曲线与 阻力关联式，为波纹板的强化传热研究提供了有利的参考。 很多文献针对板片的改进进行了研究。kw a n s o ol e e ，w o o s w u n g k i m 和j o n g m i ns i 2 5 】在文献中指出，在板式换热器板片之间镶嵌锥形圆钉 以提高流体流动时的扰动，进而增强换热。并提出影响换热性能的四个影 响因素一镶嵌圆钉的横向距离、纵向距离、圆钉高度、锥形角度的优化方 案。王中铮和吕静【2 6 】提出一种新元件一直角三角翼。流体通过直角三角翼 时，在直角三角翼背面空间内产生漩涡，这些纵向漩涡促进了主流区与传 热壁面附近流体间的动量和能量的交换，强烈的扰动对边界层起到减弱或 破坏作用，因而达到强化传热的效果。张冠敏【2 3 】在板形上进行了改进，提 出一种新的板形一波浪板式换热器，板间收缩扩张的通道对板间的流体进 行扰动混合，起到强化换热作用，并进行了数值模拟和试验研究。相对于 传统的板式换热器，换热效果增强，摩擦因子降低。湖南大学任承钦、张 国强等人【27 1 ，设计了一种隔板为六边形的板式换热器，并对此进行了数值 模拟，模拟结果表明，该换热器具有准逆流换热的特点和强化换热作用。 除了对板式换热器在高雷诺数范围内换热与阻力性能的研究，还有很 多学者对板式换热器在低雷诺数范围内换热与阻力性能进行了研究。马学 5 山东大学硕十学位论文 虎等【2 引根据实验数据分别从板片波纹角度、波距和波高三方面对板式换热 器的传热、阻力影响进行了理论分析。在低如( 2 0 0 r e 1 3 0 0 ) 条件下， 从对传热效果影响程度来看，波距要大于波纹角度和波高；而对压降的影 响，波距要小于波纹角度和波高。根据实验数据回归了相应板片传热系数、 阻力系数的经验关联式，计算值与实验值有较好的一致性；并对板式换热 器进行了热力学分析，为板式换热器在小流量、低流阻情况下的工业应用 提供板形、流程设计的理论依据。李建军心们以柴油机机油冷却器为例对低 雷诺数流动换热器的传热和阻力特性进行了实验研究，对冷却器内流体的 温度场和流场进行了数值模拟，并对数值模拟结果和实验值进行了分析比 较。通过对油水板翅式换热器进行的性能试验得到了低雷诺数下的错位翅 片传热因子与摩擦系数的准则关系式，最终根据这些准则关系式提出了一 个衡量翅片质量的经济系数。m u l e y 3 0 】用水和蔬菜油作为换热介质，通过 水一水和水一蔬菜油换热阻力实验，对人字形板式换热器进行了换热和阻 力性能研究，并指出了不同波纹角度板片组合板式换热器时，流动状态由 层流向湍流转变时的& 数范围。 1 3 场协同原理简介及研究现状 在强化对流换热技术不断进步的过程中，学界对强化传热机理的认识 也在不断深入，过增元提出的场协同原3 里t 3 1 , 3 2 1 是目前分析对流换热过程的 一个有力工具，在提出以后有诸多文献使用该理论对不同的对流换热过程 进行了分析，并取得了很好的效果。场协同原理指出对流换热的强度不仅 取决于流体与固体壁面之间的温差，流动速度和流体热物理及输运性质， 而且还取决于流体速度矢量与热流矢量间的夹角大小，即： 瘩 l f p c p ( 口v t ) a y = 一兄要l = g 。( x ) ( 1 1 ) io y l 。 其中痧是流体的速度矢量。引入无量纲变量： 6 万= 篑崩= 杀- l l ) a 呼考，。(1-2),【，。( 瓦 7 4 ” 将式( 1 1 ) 代入式( 1 - 2 ) ，进行整理后得到无量纲关系式： 山东大学硕士学位论文 l r e x p r i ( o v t ) d y = n u 。 ( 1 3 ) 0 其中r e x ，n u 。的定义与通常边界层流动分析中相同，被积因子写成： 孑v f = 刚v 卟c 哪 同时定义反映面上无量纲积分的数值为： 凡：万v 谛：旦 j 7 r e p r ( 1 4 ) ( 1 5 ) 其中是速度矢量和温度梯度矢量的夹角，可以从中看出，在不改交 流体物性的前提下，可以通过提高流体的流动速度强化传热，但更有效的 措施是减小流动速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角( 9 0 0 时) ，即寻求 速度场与温度梯度场之间的协同成为强化传热的一种新途径。 孟继安【3 3 】等对管内对流换热的场协同和强化措施进行了分析，推导了 管内湍流换热n u 数与局域时均参数的关系式，将对流换热的场协同理论 扩展至湍流换热。分析管内对流换热的特点后，根据场协同理论提出强化 湍流换热的方法，并发展新型的交叉椭圆管以增强对流换热，其强化传热 效果提高5 0 8 0 ，而且流阻较小。 周俊杰【3 4 】等对场协同理论的评价指标进行了探讨，分析了简单算术平 均角、体积加权平均角、矢量模平均角、模点积平均角及积分中值角的定 义方式，并以空调器强化表面为例进行了三维数值模拟，分别按5 种方式 进行了协同角的计算比较，表明5 种协同角整体变化趋势相似，均能够反 映速度场和温度场的协同性，其定性分析表明模平均角不仅物理意义明 确，而且考虑因素全面，是能够使用的平均角定义方式。 黄德斌【35 】等推导出了气流横向冲刷管束湍流换热时的传热m 数与场 参数的关系表达式，用数值模拟的方法对湍流时场协同原理进行了分析与 验证。结果表明，换热随管排方式和管间距的改变而有所不同，是因为速 度场与热流场的协同作用的不同，速度场与热流场的协同性好，则传热性 能好。场协同原理同样适合于气流横向冲刷管束湍流流动与换热。对湍流 换热时场协同作用特点进行分析，指出湍流时速度场与热流场的协同作用 对换热的影响主要表现在粘性底层以外的壁面附近。 7 山东大学硕十学位论文 何雅玲【3 6 1 等对新型回热式制冷机的回热器的瞬时换热量、速度矢量与 温度梯度的点积在整场上的积分值、速度矢量与温度梯度的夹角等在一个 周期内随时间的变化情况等作了计算，表明在非稳态的交变流动与换热的 情况下，场协同原理仍然适用，从而为交变流动与非稳态对流换热的研究 提供了新的思路。在计算中发现温度梯度矢量与速度矢量的夹角恰好与换 热量以及积分值的变化趋势相反，换热增强时夹角减小，换热减弱时夹角 增大。 冷学礼【3 7 1 对场协同角的计算方式进行了改进，提出了算术平均协同 角、积分平均协同角和场协同匹配性能的定义。并对振动圆管表面流场与 温度梯度场上的协同角、速度以及协同匹配性能进行了研究，发现每一时 相位处，圆面上的场协同性能分布具有明显的规律性，在面相位0 0 与1 8 0 0 附近协同性能最好，并向两侧逐渐递减。随着时相位移向平衡位置，面上 协同性能趋好的区域逐渐变大。 1 4 本文主要内容 1 、搭建测试人字形板式换热器换热性能的实验台。通过水一水、水 一油换热实验分别得到人字形板式换热器在1 0 0 0 r e 1 0 0 0 0 和 3 0 r e 3 0 0 范围内换热和阻力特性，并于管壳式换热器进行对比。归纳 了换热准方程式和摩擦系数关系式。并分离出单侧流体对换热表面的对流换 热系数。 2 、分别对不同几何参数的人字形板式换热器进行数值模拟。根据数 值计算结果，分析几何参数波纹角度、波高和波距对人字形板式换热器换 热及阻力特性的影响，并最终整理得到包含这些几何参数的综合换热准则 方程式和摩擦系数关系式。 3 、对人字形板式换热器的强化换热特性进行了场协同分析，考察三 个几何参数波纹角度、波高和波距对场协同积分余弦值和场协同匹配性能 的影响情况，并与换热效果进行对照分析。 8 山东大学硕士学位论文 2 人字形板式换热器换热和阻力性能实验研究 2 1 引言 由硬波纹板片( = 6 0 。) 和软波纹板片( = 3 0 。) 交替组合成的人字 形板式换热器称为软硬波纹板式换热器n 引。本章搭建水一水、水一油换热 实验台，进行了水一水、水一油换热和阻力性能实验，对软硬波纹板式换 热器进行换热和阻力性能实验研究( 其他波纹参数见表2 1 ) 。 表2 1 板式换热器的参数 板片数及厚度( m m )1 5 片0 5 波高( m m ) 波距( m m ) 3 8 1 3 4 单片有效传热面积( m 2 ) 0 2 6 总有效传热面积( m 2 ) 3 3 8 单通道截面积( m 2 ) o o o l 3 4 4 单侧通道总截面积( m 2 )0 0 0 9 4 0 8 冷热侧流道组合7 x l 7 x l 接管管径( m m )d n l 0 0 板片外形尺寸( m m ) 9 3 3 x 4 0 l 2 2 水一水换热实验系统及数据处理方法 2 2 1 水一水换热实验系统 为测试单相流体在人字形板式换热器内的换热和阻力性能，建立了如 图2 1 所示的以热水和冷水为换热介质的实验系统。该实验系统由以下几 部分组成： 1 、测试对象：本实验系统测试对象为人字形板式换热器。它由7 片 波纹角度= 3 0 。，8 片波纹角度= 6 0 。的人字形板片组成，1 5 片板片构成 9 山东大学硕十学位论文 - - 1 4 个流体通道，冷、热通道各7 个，流动方式为逆流。 2 、冷水循环系统：变频冷水循环泵、调节阀2 、涡轮流量计、人字形 板式换热器、冷却塔、冷水箱组成冷水循环系统。冷水由变频冷水循环泵 供入人字形板式换热器，通过调节变频冷水循环泵的频率可以调节供入的 流量。冷水的瞬时流量可以由涡轮流量计直接读出，冷水被加热后经过冷 却塔冷却，回到足够大的冷水箱，故在实验过程中冷水箱中冷水温度可以 认为近似不变。 3 、热水循环系统：热水循环系统由变频热水循环泵、汽一水换热器、 调节阀1 、涡轮流量计、人字形板式换热器、热水箱组成。热水循环系统 各设备的功能大致对应冷水循环系统中各设备的功能。蒸汽锅炉产生的蒸 汽通过汽一水换热器换热，通过温度控制，得到实验所需的温度恒定的热 水。 4 、测量系统：测量系统分为温度测量系统、流量测量系统以及差压 测量系统。 1 ) 温度测量 在人字形板式换热器的四个进出口分别布置2 个0 21 t l r n 的铜一康铜 热电偶对进行进出口水温测量。所有的热电偶电势信号均采用h p3 4 9 7 0 a 型数据采集系统进行采集。h p3 4 9 7 0 a 型数据采集系统是美国h p 公司生 产的先进的数据采集设备。它由数据采集主机、p c 机、接线盒和相应的软 件系统组成。它可以同时测量各种不同的电信号，例如：直流电压、交流 电压、电流、电阻等，并且具有信号变送能力，不需要另加信号变送器。 2 ) 流量测量 在人字形板式换热器冷、热水入口管道上分别布置l w g y 型涡轮流 量传感器。l w g y 型涡轮流量传感器是上海自动化仪表九厂生产的一种速 度式流量测量仪表，用于测量充满于封闭管道中连续流过的流量。 3 ) 压差测量 本实验采用精密弹簧管压力表测量人字形板式换热器的进出口压力， 压力表均采用精度为0 4 级的标准压力表，分别测量人字形板式换热器冷、 热水进出口的压差，从而获得流体流经人字形板式换热器的阻力损失。 1 0 山东大学硕士学位论文 囊滑流量计1 图2 1 水一水换热实验系统 2 2 。2 水一水换热实验方法、步骤 实验前对各测量系统进行标定，仔细检查各部分的连接是否正确，各 设备和仪表工作是否正常。实验时，通过调节冷、热循环水泵的频率和阀 1 、阀2 调节冷水侧和热水侧的流量，使冷、热流体具有相等的质量流量。 在每一工况实验中需待系统各测点温度达到稳定，再测取各项数据作为实 验记录。具体步骤如下： l 、开启实验系统的冷、热水循环，排出设备和管道内的气体，使人 字形板式换热器在充满水的条件下运行； 2 、开启蒸汽锅炉对热水箱内的水进行预加热，直到汽水换热器的出 口水温稳定到进行实验所需的温度； 3 、从小流量开始，保持一侧流量不变，调节另一侧循环水泵的频率 来改变另一侧的流量，经过阀门的微调，直到经过人字形板式换热器的冷、 热水质量流量基本相等；等系统温度稳定后，通过计算机采集温度数据， 并再次测量验证冷热水的流量是否相等，若在允许偏差范围内相等，记录 冷、热水流量。 图22 板式换热器传热性能测试实验台 4 、逐步增大流量，重复2 、3 。 实验过程中，由于各方面因素的影响，误差是不可避免的。本实验中， 为保证测试可靠性采取了以下措施： 1 、实验前用c s 5 0 1 恒温水浴系统对热电偶逐一进行标定。在不同温 度下，用电位差计测得披标定热电偶的热电势的大小，然后与标准热电偶 的热电势进行对比，误差一般在o5 以内，表明热电偶的精度是可靠的。 2 、热电偶与h p3 4 9 7 0 a 组成的数据采集系统也用恒温水浴系统进行 标定。水温在2 0 9 5 范围内变化，标准玻璃水银温度计测量的温度作为 真值，温度测试系统在标定温度范围内的误差为07 ，说明测温系统是可 靠的。 3 、流量标定采用最有效可靠的称重法，在水泵不同的频率下，很精 确的测得冷、热流体的质量流量大小，与涡轮流量计测得的质量流量进行 对比，误差一般在o5 以内，如图23 所示，表明涡轮流量的精度是可靠 的。 山东大学硕士学位论文 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 数据采集仪的频率( h z ) 图2 3 流量测试对比 4 、进行热平衡验证，对于每个实验工况计算热水放热量和冷水吸热 量，热水放热量q ，理论上应等于被冷水的吸热量q ：，由于各方面误差的 存在，二者有一定的偏差。但计算结果证实其相对误差( q ，一q ：) q ： 5 ， 证明实验系统是可靠的。 2 2 3 水一水换热实验数据处理方法 1 、原始数据及物性参数 通过以上实验步骤的测试，可获得以下原始数据： ，砰一热流体进出口温度，9 c ； ，；一冷流体进出口温度，。c ； q m 。，：一热、冷流体质量流量，k g h ； a 一板片的换热面积，m 2 ； a ，p l 一热流体进出口压强，k p a ； p 2 ，p 2 一冷流体进出口压强，k p a ： 由冷、热流体的进出口温度可计算各自的平均温度： 热流体平均温度：生兽； 1 3 筋 扣 坫 m 5 o 一上丘一删栏鞴 山东大学硕士学何论文 冷流体平均温度：乞= 垒善； 由冷、热流体的平均温度查其物性表可得到冷、热流体的物性参数。 2 、传热平均温差的计算 获得以上数据后，可根据对数温差的计算公式计算冷、热流体通过板 片传热的平均传热温差： 小警 协。 a t m i n 3 、传热量计算 热流体热流量： 冷流体热流量： 热平衡相对误差： 平均换热量： 4 、传热系数计算 q = g m 。c p 。( t l 一夕 q 2 = g m ：c p ：以一) z i q = ( q i q 2 ) q 2x 1 0 0 q = ( q l + q 2 ) 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 由前面的计算结果根据下式可得到冷热流体通过板片的传热系数k ： k = q ( a a t ) ( 2 - 6 ) 5 、换热性能实验关联式归纳和对流换热系数计算 通过上面的数据处理可以得到各个实验工况下的传热系数k ，已经能 够了解人字形板式换热器的整体传热性能，但在换热器的传热性能试验 中，不仅仅在于获得传热系数k 。为了更详尽地了解流体和固体壁面之间 的对流换热规律受到哪些因素的影响，更重要的是获得换热表面单侧流体 对换热表面的对流换热系数及其准则方程式，对于人字形板式换热器实验 而言，直接测量换热板片温度比较困难，这就需要从测试出的传热系数k 中将对流换热系数、口：分离出来。本文应用等质量流量法测定板式换热 器的对流换热系数【2 3 1 。推导过程具体如下： 在人字形板式换热器中，板片两侧流通通道几何结构相同，因此如果 冷、热流体流动的雷诺数范围相同，则冷、热流体侧的换热特性可用相似 的准则方程式描述【3 9 】： 1 4 山东大学硕士学位论文 n u ：c r 2 尹p 帮。3 0 4 ( 丝) 0 1 4 u 。 ( 2 - 7 ) 式中：努谢尔特数n u ：孕、雷诺数r e ：堕、p r 为普朗特数、，、 i i v 。 。分别为流体在平均温度和在壁面温度下的动力粘度； 口一对流换热系数； 以一流动通道的当量直径； “一冷、热流体在流动通道中的流速； 兄一流体的导热系数； y 一流体的运动粘度； c 、聊一待定常数。 用下标1 、2 分别表示热流体和冷流体，基于上述准则方程的对流换热 系数表达式分别为： 铲c ( 鬻) m p ，( 等) 0 1 4 ( 协8 ， a t 2 = c 铬) m p 囔) 0 1 4 ( 协9 ， 式中：g 为质量流量，k g s ；形为人字形板片的宽度，m 。 令： 局= p f l 0 3 ( 旦) 0 1 4 ( 每) ( 2 1 0 ) w 1a e 吃= p 芎，4 ( 丝) 叭4 ( 每) ( 2 11 ) w 2a c 将式( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 代入人字形板式换热器的传热热阻方程( 2 1 2 ) ， 在该试验中，由于采用的板片为未使用过的清洁板片，实验温度不是太高， 板片不易结垢，没有考虑板片两侧的污垢热阻。 三：上- 4 i - 旦+ 上( 2 1 2 ) 一= 一一十一 三一_ ， k 口l 氕口2 上式中万、九分别为金属板片的厚度和导热系数。 如果在实验时保证l = 2 = g m ，( 2 - 1 2 ) 式可整理成 山东大学硕十学位论文 叫竿+ 掣弦寿协 板片材料是厚度为o 5 m m 的不锈钢，导热热阻要很小，可以忽略不 计。通过测试一系列的工况点，可得到一系列的数据，通过线性回归可得 到c 和m 的值，即得到人字形板式换热器换热准则方程，进而可通过式 ( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 分别计算出冷、热流体的对流换热系数和口：。 上面的讨论考虑了在金属壁温与介质温度差较大的情况下，不均匀物 性场对换热的影响，因此修正项( 盟) 0 1 4 必须要加入到换热准则方程中，这 。 时须将壁温试算及回归c 和m 同时进行，最终得出含不均匀物性场修正项 的准则方程式。 在金属壁温与介质具有中等以下温度差( 对水为2 0 。c 3 0 。c ) 的场合， 修正不均匀物性场对换热影响的修正项( 丝) 0 。1 4 可以不用考虑。 j 、 修正对测试结果影响不大，但因不用进行壁温计算而可以省去很多计 算工作量。在水一水换热实验过程中，金属壁温与水温度差处于中等以下， 故实验结果处理中，没有考虑不均匀物性场对换热的影响，但在水一油换 热时计入了油粘度变化的影响。 6 、阻力性能数据处理及实验关联式归纳方法 流体在流动中