（工程热物理专业论文）复合波纹板式换热器换热与阻力特性研究.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 板式换热器作为一种传热性能优异的热能动力机械设备被广泛应用 到有能量传递过程的许多领域，其应用范围的不断扩大要求对其进行更深 入的研究。板式换热器与管壳式换热器相比具有传热系数高、结构紧凑、易拆 洗等优点，但也存在流动阻力大、承压能力低等主要缺点。针对传统人字型波纹 板式换热器流动阻力大这一主要缺点，本文提出一种新型换热板片复合波纹 板片。 本文首先选取几何参数为波纹夹角b = 4 5 。、横波波距= 3 0 m m 、横波波高 矾= 1 5 册l 、纵波波距l ：= 1 6 删和纵波波高日：= 1 5 删l 的复合波纹板片建立与 本文实验段几何参数一致的物理模型，采用非结构化网格，分别选用层流和r n g k e 湍流模型，数值计算得到复合波纹型板式换热器内部的速度场，以及复合波 纹型板式换热器在不同r e 数范围内的换热准则方程式和摩擦系数关系式。为验 证数值计算结果的正确性，搭建了复合波纹型板式换热器的水一水、水一油换热 实验台，进行了水一水、水一油换热实验。通过对比，发现数值计算结果与实验 结果一致性较好，n u 数随r e 数的变化趋势基本一致，这说明了用数值计算方法 研究复合波纹型板式换热器流动与换热性能的可行性。 为进一步探索复合波纹型板片的换热及阻力性能，对波纹夹角b = 1 5 。 7 5 。，横波波高以= o 5 舢l 2 5 历坍，横波波距l = 1 6 所m 5 0 研所；纵波波高 h = 0 5 肌州2 5 m l ，纵波波距，= 8 研所3 2 历所范围内各个几何参数下的复合 波纹型板片进行了数值计算，得出复合波纹几何参数对其性能的影响规律：波 纹夹角b 增加，换热增强，阻力同样相应增大，但夹角b 较小时换热与阻 力综合效果更好；横波波高增加在一定程度上有助于提高换热效果，且对 摩擦系数影响很小；横波波距对换热影响不大，但横波波距过大或过小都 会导致大的摩擦系数；纵波波距的减小在一定程度上可以强化换热，但摩 擦系数会增大；纵波波高的变化对换热和摩擦系数都有显著影响。通过大 量的数值计算，发现波纹夹角、纵波波高和纵波波距的改变对换热以及阻力性 山东大学硕士学位论文 复合波纹型板式换热器的换热准则综合方程式： 眦5 蚍e 0 6 4 6 协0 3 4 ，阿1 9 6 3 ( 甜4 1 3 摩擦系数综合关系式：，。8 7 5 4 6r e o ，s s ( 譬) ，尉s p l 。1 5 4 5 盖 以上两式r e 数范围为：2 0 0 0cr e 2 0 0 0 0 。综合准则关系式的提出能够对 关键字：板式换热器；复合波纹板片；数值模拟 些查盔兰堡主兰垒堡塞 a sat h e r m a lp o w e rm e c h a n i c a la p p a r a t u s ，p l a t eh e a te x c h a n g e r sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d s0 fe n e r g yt r a n s p o np r o c e s s e sf b ri t sp e r f e c t p e r f o r m a n c e t h ed e e p e ff e s e a r c h e so np l a t eh e a te x c h a n g e r a r en e c e s s a f yf o r e n l a r g i n gi t sr a n g eo fa p p l i c a t i o n c o m p a r e dw i t h t u b ea n ds h e l lh e a t e x c h a n g e r s ，p l a t eh e a te x c h a n g e f sh a v es u c ha d v a n t a g e sa sh i g he 妇k d i v e n e s s ， 姗p a c t n e 豁卸de 弱yd e 柚e d a l h a v ed i s a d v 孤t a g c s ，s u c h 舔l o wa l l o w a b k s u s t a i n i n gp r c s s u 卸db 螗p r c s s u r cd r o p a i i i l i n ga tt h ep r i m a r yd i s a d v a n t a g eo fb i g p r c s s u r cd r o pt h a tc x i s t si n 仃a d i t i 伽a lc h c v n - t y p ep l a t ch e a tc x c i l 觚g c 瑙，伽p 伽n d c o 删g a t i p l a t ch e a te x c h 卸g c 塔a ”p r o p o s e d f i r s to fa l l ，t l l e p o u n d 舢g a t i 彻p l a t ew i t h 擘咖e 町p 眦呲衙伽p r i s _ e do f c 0 栅g a t i 伽i n c l i n a t i o n 彻g c l4 5 。，血c a n 眦塔a lc o 删g a t i o ns p a c e3 0 m 加，t h c t r a n w e 珞a lc o r n l g a t i o nh e i g l l t1 5m 研，t h el g i t i l d i n a l m l g a t i 伽s p a 1 6 删粕dm e l o n g i t u d i n a l 删g a t i h e i g h t1 5 删w 勰s c l e c 矧t o 曲l i s hp h y s i c a lm o d c lc o n s i s 细t 诵t h 唧e r i n l 锄t a lc o n d i o mu n s t 邝c t u r c d 鲥d ，l 锄_ i l l 盯n o w0 rr n g k 一t l l f b u l e n c e m o d e lw e r cu s e di nn u m e r i c a lc a l c i i l a t i o n t h r d i m e 璐i a lv 6 l o c i t yf i e l d o f c o m 岬d 咖g a t i o np l a t eh e a te x c h 锄g e r s ，t i i eh e a tt 舢s f e r 砷e r i o ne q u a t i o n 卸d 衔c t i 彻c o e m c i e tr c l a t i o ni nd i 骶r c i nr c n 扑l t 衄m b e rs c o p e s i no r d e rt 0c o n f i 珊 t h ea c c i l r a c y0 fr c s u l t sf b mn u m e f i c a lc a l c u l a t i o n ，w a t e r ；l t e f 柚dt h ew a t e r o i l h e a tt 啪s f e rs t a g cw 眦e s t a b l i s h 彻dt h eh e a tn 蛆s f c re x p e r i l i i e n to fw a t c r - w a t e r 孤dt h cw a t e r 一0 i lw e r cc a r r i e d0 u t t h r o u g ht h ec o n t m s t ，w ed i s v e r c dt h a tt h e r e s u l t s 劬m 加m 面c a lc a l c i l l a t i 柚dc x p e r i l i l e n ta p p r o a c h 卸dt h ec h a n g eo fn u n u m b c ri s n s i s t e n tw i l hm a to fr en u m b e r 1 1 1 ea p p f o a c hn l u m i n a t e st l l a ti ti sa f c a s i b l ew a yt 0i n v e s t i g a t ct l l ep e 面衄柚c co f m p o u n dc 0 咖g a t i 咖p l a i ch e a t e x c h 柚g c rb yn u m 翻c a lc a l c i l l a t i o n 1 n0 r d e rt o i n v e s t i g a t e h e a tt 珊s f c f 卸dn o w s i s t ：m c co fc o m p c 呱旧 c 0 删g a t i o np l a t cf u n h e r ，c o m p o u n dc o m j g a t i p l a t eo fe v e r yg e o m e t r yp a m m c t e f si n m g co fc 0 咖g a t i o ni n c l i n a t i o n 拥g c l 劬m1 5 。t o7 5 。，t h et r a 璐v e 墙a lc 0 删g a t i o n m 山东大学硕士学位论文 s p a c c 丘o m1 6 埘l t o5 0 删，t h ct 枷s v e 墙a lc 0 删g a t i o nh c i g h t 妇n0 5 小川t 02 5 m 坍， m cl o n g i m d i l i a lc o 肌g a t i s p a c e 劬m8 册小t 03 2 朋l 柚d 出el g i m d i n a lc o 栅g a t i h e i g h t 锄n0 5 肌所t o2 5 研坍i sc h o nt ob c l c i i l a t e db yn u m e r i lc a l c u l 撕f i n a l l yt h e l a wt h a tg e o m e t f yp m m e t e 璐o f c o m p o u n dc o m l g a t i o np l a t e 砌u 如h c a t 仃a m f e r 粕dn d w 螂i s t a n c ci so b t a i n e d ni s 够f o l l o w s ：w i t hi n c r c 鹤i l l go f 删g a t i o ni n c l i n a t i o na n g e lb ， b o mh c a t 纳n s f c rr a t e 卸dn o wf c s i s t 柚c c i n c r c ；塔e 弱w e l l ，b u ti l l t c 铲a t c d p e r f b 珊a n c co fp l a t c h e a tc x c h 姐g c 倦d i s p l a y sb e t t e rw i t has m a l l 盯咖g a t i i n d i n a t i o n 卸g e l6 ；t h ec h a i l g eo ft f a n s v e m i 舢g a t i o nh c i g h th 勰s 帆ec c n a i n 硼u e n c co nh e a t 仃a 船f c rb u tn e a r l y 枷u 朋c c f l o w s i s t a i l c c ；t l l ec h 锄g eo f t f a 璐v e 硌a lc 0 咖g a t i 蚰s p a c ch 勰t i n yi n f l u e n c c h e a t 仃a n s f c r ，b u tt b i go rt 0 d 锄a 1 1 慨嫩lc o 咖g a t i 伽s p a c cw i l ll dt oab i g g c rf r i c t i c o e f f i c i 朋t ；t h cf c d u c c o fl o n g i t l l d i n a lc o 删g a t i s p a w ms 缸知g i hh e a tm m s f 打i nac e r i a i n 眦n t 姐d s y n c h m o u s l y 鲫e n t 衔曲n 雠腧i e n t ；t h ec h a n g eo fl g i t i l d i n a lo 咖g a t i o nh e i g i l t o b v i o u s l yi i l f l u e n sb o mh c a tt m n s f e r 柚d 卸舯e n t 翻c i i e 伍c i 锄t 1 协u g hp l e n t i f i i l n 咖e r i c a l j c l i l a 曲n ，t h a tc o 删g a t i o ni l l c i i l i a t i 伽a n g e l ，l o n g i t u d i n a lc 0 删g a t i o ns p a a n d l o n g i m d i n a l 咖g a t i h e i g h t h a a ”删应d b l e 蚰u e n c e 蛐b o mh e a t 咖吲c c r 粕d 黼c t i 蚰 c o c 蚯d 明ta r ed i s 。o v e 陀d a f i e rs i m l m a r iz i n gt h e m a j o r 白c 1 0 l s ，t h eh e a t 协m s f 打c r i t 州o n e q u a t i 伽 柚d 衔c t i c o e f f i d c mc q u a t i o ni nt h er e y l i o l d s 如m b e rm g e 2 0 0 0 r e 横波波纹投影面 h ， 固2 1 波纹面及波纹夹角 ， ；z 山东大学硕：t 学位论文 2 ) 3 ) 片的纵波倾角。 在横波波纹投 影面内建立横 波的几何特征 ( 此时波纹轮 廓几何尺寸按 照横波波纹几 何尺寸在x 轴方 向的投影计算 得来) ，然后再 将该波纹轮廓 投影到与主流 方向呈b 夹角 的横波波纹面 上去，即得到 真正的横波波 纹。横波轮廓 由弦高为 瓯2 ，弦长为 图2 2 横波波纹几何尺寸 图2 3 纵波波纹的几何尺寸 厶2 的圆弧按图2 2 的排列方式首尾相 结而成，以、厶就 是图中所示的横波 波高和横波波距。 按建立横波的方法 在纵波所在平面上 建立图2 3 所示纵 波的几何特征，纵 波也是由圆弧连接 图2 4 横波与纵波的空间关系 图2 5 复合波纹曲面造型 9 山东大学硕士学位论文 而成，纵波波高和纵波波距如图所示。 4 )将横波波纹在与主流方向呈4 5 度夹角建立完毕的横波轮廓、纵波轮 廓和主流方向的空间位置关系如图2 4 所示。在三维设计造型软件 中将纵波波纹定义成轮廓、横波波纹定义成路径，使用轮廓沿着路 径扫描的方式生成曲面。 5 )图2 5 即是按上述方法完成制作的复合波纹曲面造型。 2 3 数值计算物理模型和数学模型 2 3 1 物理模型 本章数值计算选定的板片波纹几何参数为：波纹夹角8 = 4 5 。，横波波距 b = 3 0 m m 、横波波高巩= 1 5 栅、纵波波距t = 1 6 删和纵波波高见= 1 5 珊。 将三片板片叠加后形成的两个内部流体通道定义为数值模拟的流场空间， 其中一侧通道内流体为冷水( 冷油) ，另一侧通道内流体为热水。其具体边 界条件设置如图2 6 和图2 7 所示。 图2 6 数值计算物理模型i 图2 6 所示的物理模型，计算区域分为两部分，上面区域为热水流通区域， 下面区域为冷水( 油) 流通区域，中间壁面为换热面，在图中示为内壁面。将整 1 0 山东大学硕t 学位论文 个计算模型中两个体包裹起来的面即为外壁面，外壁面不参与传热传质。热水入 口，冷水入口，热水出口和冷水出口在图2 7 中明确指出。 2 3 2 数学模型 图2 7 数值计算物理模型i i 入口 结合复合波纹型板式换热器内部流动和换热的特点，建立数学模型，作如下 假设： a ) 流体为不可压缩的牛顿流体； b ) 在计算过程中，忽略重力、浮升力的影响； c ) 流体进口速度假设为已知，出口压力恒定； d ) 板式换热器通道内的流动为周期性充分发展流动。 2 控制方型蚓 流体的连续性方程： 丝+ 塑+ 丝，o( 2 一1 ) 觑 砂 拉 流体的动量方程组： 1 l 山东大学硕：e 学位论文 戤等+ 蜘詈+ 詈- 一吉罢+ ，f + 争+ 争】 c z 批 d y 以p 觇 l 缸2却2 以2j 其中，峨分别表示h ，、“，、“：；代表所选坐标。 流体的能量方程： 尝坞詈心考一口( 警+ 等+ 等) c z 嘞 磊枷，石z 云叫i + 矿+ j 屺 板片内导热微分方程： ( 警+ 等+ 警) 一。 c z 训 以上各式中，1 ) 为水的运动粘度，m 2 s ；p 为水的密度，k g m 3 ；口为水的热 扩散率，m 2 s 。 数值计算过程中，计算水一油换热时，由于变压器油粘度很大，故雷诺数很 小，流动基本处于层流状态，油侧流动采取层流模型；在水一水换热计算过程中， 雷诺数很高，流动处于湍流状态，采用r n gk e 湍流模型。r n gk c 模型和标 准女e 模型很相似，但是有以下改进：( 1 ) r n g 模型在e 方程中加了一个条件， 有效的改善了精度。( 2 ) 考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。( 3 ) r n g 理 论为湍流p m d t i 数提供了一个解析公式，然而标准加模型使用的是用户提供的 常数。( 4 ) 标准k e 模型是一种高雷诺数的模型，r n g 理论提供了一个考虑低 雷诺数流动粘性的解析公式。这些特点使得r n g 七e 模型比标准“e 模型在更广泛 的流动中有更高的可信度和精度。 r n gk e 方程： 砉似) + 去汹) - 者卜眄蔫) 坩t 柑一唯一k “x q - 5 ) 扣) + 毒) t 孙针q 昙剐勺譬母最 q 咱 式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 中，g 是由层流速度梯度而产生的湍流动能，g 是由浮 山东大学硕l 学位论文 力而产生的湍流动能，匕由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，c l 。、 c 2 ，、c 3 ，是常量，口l 和口。是k 方程和e 方程的湍流p r a n d t l 数，& 和s 。是用户定 义的。 2 4 边界条件 2 4 1 入口边界条件 在对复合波纹型板片( 参见图2 5 ) 进行换热和阻力性能数值计算的过程中， 入口采用速度入口条件，冷水( 油) 设定入口温度为2 9 3 k ，热水设定入口温度 为3 2 3 k 。水油换热数值计算时，油介质采取变压器油( 与后面实验所采用的油 一致，以便于比较验证) 。 湍流脉动动能t 在入口的时候，用以下公式可以计算得到： 七要0 。，) 2 ( 2 - 7 ) 其中球。是平均流动速度，i 是湍流强度： ，= o 1 6 ( r e y 埔 ( 2 8 ) 三 湍流耗散率g c ：按下式确定： 3 s 蠢竽 其中：f o 0 7 工，l 为入口端特征长度。 2 4 2 出口边界条件 ( 2 9 ) 出口边界条件采用压力出口条件，设定为一个大气压的表压力。f 1 u e n t 中 当介质流动出现回流现象时，使用压力出口边界条件来代替质量出口条件常常有 更好的收敛速度。 2 4 - 3 壁面条件 外部边界：无滑移速度边界条件u = 0 ，温度分布服从绝热边界条件， 山东丈学硕十学位论文 - o 内部壁面：无滑移速度边界条件u = 0 ，内部墙体采用耦合边界条件。 近壁面处理采用增强壁面函数法处理。 2 4 4 网格划分 通过数值模拟软件f 1 u e n t 中自带的g 锄b i t 软件进行建模，构造模拟对象的几 何模型、划分网格和初步设置边界条件。由于板式换热器内部结构复杂，模拟中 采用了非结构化四面体网格( 见图2 5 ) 。 图2 7 四面体网格 在划分网格的过程中，第一个节点与壁面间的无量纲距离蝣满足 1 1 5 删以s 2 0 0 嘲条f 牛。其中，产掣掣y 为第一个内节点到壁 面的实际距离1 3 5 1 。 2 5 数值计算结果及分析 本章数值计算时选定板片几何参数为波纹夹角8 = 4 5 。、横波波距 毛= 3 0 m 、横波波高巩= 1 5 m m 、纵波波距t = 1 6 嗍和纵波波高日：= 1 5 撇的 复合波纹型板式换热器进行换热与阻力特性数值计算。通过数值计算，得出换热 板片的表面换热系数和流体流过通道的压力损失。进一步数据处理，得出复合波 纹型板式换热器在5 0 t r e t 5 0 0 和2 0 0 0 r e c 2 0 0 0 0 范围内的努谢尔数和摩擦 系数，进一步拟合出复合波纹型板式换热器的换热准则方程式和摩擦系数准则方 程式。 换热准则方程式：肌。0 3 9 4 2 r e 。j 仍p f 。3 ( 。j ( 生) 。“，5 0 r e 5 0 0( 2 l o ) p 。 “- 0 1 5 7 9 r e o 6 拍3 p r 0 3 o m ，2 0 0 0 r e 2 0 0 0 0( 2 1 1 ) 1 4 山东人学硕士学位论文 摩擦系数准则方程式：，一2 7 4 8 7 r c “”， 5 0 r e 6 0 0 ，一4 9 r 7 7 2 r e ”，2 咖 r e 2 0 0 0 0 换热、摩擦系数随r e 变化趋势如图2 8 2 1 1 所示。 图2 8 复合波纹型板式换热器换热曲线( 5 0 r e 5 0 0 ) 图2 9 摩擦系数随r e 数变化趋势( 5 0 r e 5 0 0 ) 图2 1 0 复合波纹型板式换热器换热曲线( 2 0 0 0 r e 2 0 0 0 0 ) ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) 山东大学硕士学位论文 图2 1 1 摩擦系数随r c 数变化趋势( 2 0 0 0 r e 2 0 0 0 0 ) 2 6 本章小节 根据复合波纹板片的几何特性，本章提出复合波纹板片构造物理模型的方 法；以几何参数为波纹夹角b = 4 5 。、横波波距l = 3 0 脚l 、横波波高h 。= 1 5 肼”、 纵波波距：= 1 6 删l 和纵波波高日：= 1 5 m 的复合波纹板片建立物理模型，采用 非结构化网格，分别选用层流模型和r n gk e 湍流模型，进行数值计算，最终得 到复合波纹板式换热器在5 0 r e 5 0 0 和2 0 0 0 r c 2 0 0 0 0 范围内的换热准则 方程式和摩擦系数关系式。 1 6 山东大学硕士学位论文 3 复合波纹型板式换热器水一水换热实验研究 3 1 水一水换热实验系统 为测试单相流体在复合波纹型板式换热器内的换热性能，建立了图 3 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自制复合波纹型板式换热器。它 由三片复合波纹板片组成，三片板片构成两个流体通道，流动方式为逆流， 同第二章数值计算中所采用的物理模型一致。 2 冷水循环系统：冷水循环泵、调节阀3 、调节阀4 、冷水箱组成冷 水循环系统。冷水由冷水循环泵打入测试段换热器，调节阀3 和调节阀4 配合使用可以调节进入测试段的流量。被测试段加热后流出的水进冷水箱 之前可以用称重容器接出称重，即得到冷水的质量流量。由于冷水箱内冷 水体积很大，故在实验过程中冷水温度近似不变。 3 热水循环系统：热水循环系统由热水循环泵、汽水换热器、调节阀 1 、调节阀2 、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。 ( 1 ) 温度测量 在测试段的四个进出口分别布置中0 2 m m 的铜一康铜热电偶进行进 出口水温测量。所有的热电偶电势信号采用h p3 4 9 7 0 a 型数据采集系统 来测量。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。本实验利用 h p3 4 9 7 0 a 与热电偶直接相连测量温度，h p3 4 9 7 0 a 可自动进行热电偶 的冷端补偿，它的软件系统基于w i n d o w s 操作平台，采集的数据可跟 m i c r o s o f te x c e l 等其他数据处理软件共享。h p3 4 9 7 0 a 型数据采集系 1 7 山东大学硕士学位论文 统数据采样速度快而且精度高，每秒钟可巡检、测量、记录2 0 0 个通道 的数据。 ( 2 ) 流量测量 质量流量测量采用称重法，用电子天平测量在一定时间段内从出 水口流出水的质量，时间用秒表计量。 热水水箱 图3 1水一水换热实验系统 3 2 实验方法、步骤及可靠性验证 实验前对各测量系统进行标定， 设备和仪表是否工作正常。实验时， 冷水水箱 o j6 塞 仔细检查各部分的连接是否正确，各 通过调节阀1 、阀2 和阀3 、阀4 来 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： 1 )开启实验系统的冷、热水循环，排出设备和管道内的气体，使测 试段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，调节阀门改变另一侧的流量， 通过称重法反复测量质量流量，直到经过测试段换热器的冷、热水质量流 山东大学硕七学位论文 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3 2 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 ) 。 5 ) 用游标卡尺、深度千分尺、米尺测量板片的几何结构尺寸。 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 一5 0 1 恒温水浴系统对热电偶逐一进行标定。在不同温 度下，用电位差计测得被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o 5 以内，这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 一9 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0 7 ，说明测温系统是可靠 的。 1 9 山东大学硕t 学位论文 3 ) 流量测量采用最有效可靠的称重法，可以很精确的测得冷热流体的 质量流量。 4 ) 对于传热实验，散热损失有时对实验的影响很大，所以在本实验中， 对测试范围内的管道及板式换热器进行了保温处理，有效减少了热量散失 带来的误差，对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 l 应等于被冷水的吸热量q 2 ，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 1 q 2 ) q 2 5 ，这证明实验系统是可 靠的。 3 3 实验数据处理方法 3 3 1 分离对流换热系数的等质量流量法 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在多大程度上受到哪些因 素的影响，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 程式是更重要的，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。对于板式换热器试验而言，直接测量板片温度比较困难，所以常 用的牛顿冷却公式直接分离对流换热系数的方法难以应用。理论上等雷诺数法 朋、威尔逊法【鲳1 、等流速法【3 9 】等可以应用于板式换热器对流换热系数的分离， 但雷诺数与流体的物性有关，流体物性又是温度的函数，所以实际实验过程中控 制两侧流体的雷诺数相等难度很大；等流速法看似最容易实现，但对流体速度的 测量需要测量体积流量，而体积流量的测量很难保证足够的精度。在等雷诺数和 等流速法的基础上，本文应用等质量流量法测定板式换热器的对流换热系数 【柏1 。推导过程具体如下。 在板式换热器中，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1 4 2 】： 胁i c r c 7p r ? 舢4 ( 竺) n 1 4 ( 3 1 ) 山东大学硕+ 学位论文 式中：努谢尔特数肌。譬、雷诺数r e 丝、p r 为普朗特数、p 为流体 y 动力粘度，c 、肌一待定常数。 用下标l 、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： q ；c r e ? 时。( 竺勺u 4 ) ； 一订4 口：c r e ：p 矿( 竺丝) 一( 知 肛帕4 晰、p 。分别为流体在平均温度和在壁面温度下的动力粘度。 由于运动粘度y ，与动力粘度p ，之间有如下转换关系： 圹芳 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 所以：r e ，堕。竺垫 ( 3 5 ) v |l l f 在实验测试时流体流通面积4 是已知且为固定的，体积流量和质量流 量的表达式如下： 吼- 以 ( 3 - 6 ) q 。- q ，p f - “l p f ( 3 一) 由上两式，流体流速可由质量流量表示成： 肛p ， ( 3 - 8 ) 由此雷诺数r c 可进一步表示成： r c 。堕。丝盟盟。生( 3 9 ) v fl i ff a l 在板式换热器中有： 三生 ( 3 1 0 ) m 板片宽度。 所以雷诺数r e 最终可表示成： 2 l 山东大学硕士学位论文 r e 丝( 3 1 1 ) ”c 铅门扎等) 0 1 4 ( 乏) ”c 锯，叫4 铮皇， 且p r 芦) n “净) ( 3 1 4 ) 曰：p 0 4 ( 丝l ) “( 孕) ( 3 1 5 ) c c 静- 妈j 6 ， ”c 铬，： 。d 7 ， 三三+ 旦+ 上( 3 1 8 ) 上式中6 、九分别为金属壁面的厚度和导热系数。 如果在实验时保证q 。- 2 一， ( 3 - 1 8 ) 式可整理成： 叫竿+ 学弦旁 令上式右边等于p ，则c 臼。”一p ，方程两边取对数可得： l n p = 1 1 l c + 小l n q 。 ( 3 2 0 ) 通过测试的一系列工况点，可得到一系列尸和的值，通过线性回归 山东大学硕t 学位论文 设m 的一个初始值进行迭代，直到最后两次得到的c 和坍的值分别相差很 小，即得到板式换热器换热准则方程中的c 和小，进而可通过式( 3 1 2 ) 、 ( 3 - 1 3 ) 分别计算出冷热流体的对流换热系数口。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，因此修正项芦) 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 和所同时进行，最终得出含不均匀物性场修正项 的准则方程。 在金属壁温与介质具有中等以下温度差( 对水为2 0 一3 0 ) 的场合， 修正不均匀物性场对换热影响的修正项芦) “4 可以不用考虑，马、易可以 取为： 马。p ( 孚) 4 。 易噬。每) d 。 ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 修正对测试结果影响不大，但因不用进行壁温试算而可以省去很多计 算工作量。在本次换热实验过程中，金属壁温与水处于中等以下温度差， 故实验结果处理中，没有考虑不均匀物性场对换热的影响。 3 3 2 实验原始数据处理 ( 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： f 1 ，h 一热流体进出口温度，； “，“一冷流体进出口温度，； 口。、：一热、冷流体质量流量，k g s ； 一一一板片的换热面积，m 2 ； 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：f l ；i 箬； 山东大学硕e 学位论文 冷流体平均温度：屯生兰； 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1 4 2 】 获得以上数据后，可根据下列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： 蚝警 2 3 ) & “ 式中，出、厶f 。一一分别为逆流时端部温差中的大者及小者。需要注意 的是，由于冷热侧换热介质是同一种介质，且实验时保证质量流量相等， 所以非常可能出现f ，一f ：- 一f ：的情况，此时上面的温差计算公式分母 为零，不能得出正确的结果，需用算数平均法计算平均传热温差，此时： a k - f 1 一f 2 一f l f 2 ( 3 ) 传热量计算 热流体热流量：q l 一吼，c k ( f l f 1 ) ( 3 2 4 ) 冷流体热流量：q 2 - 靠2 c ，：0 2 一f ：) ( 3 2 5 ) 热平衡相对误差：q 一( q 1 一q 2 ) q 2 1 0 0 ( 3 2 6 ) 平均换热量：q 一( q 1 + q 2 ) 2 ( 3 - 2 7 ) ( 4 ) 传热系数计算 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 ： 足一q 0 ) ( 3 - 2 8 ) ( 5 ) 换热准则方程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 够了解板式换热器的整体传热性能，但为进一步了解单侧流体对流换热系 数的变化规律，还需要分离出单侧流体的对流换热系数，归纳出单侧流体 的换热准则方程。归纳换热准则方程和求取对流换热系数的具体方法已在 上面做了推导，最终结果经过多次试算得到。 山东丈学硕士学位论文 3 4 数据处理结果与分析 3 4 1 实验结果处理 通过水一水换热测试的一系列工况点，可得到一系列p 和的值( 参 考式3 1 9 ) ，通过线性回归可得到c 和研的值，只是因为p 中也含有未 知数肼，因此回归时需要先假设聊的一个初始值进行迭代，直到最后两次 得到的c 和m 的值误差在0 0 0 0 1 ，即得到板式换热器换热准则方程中的c 和坍。实验数据查阅附录表3 1 。通过该过程得到热水侧换热准则方程式： 正l - 0 2 6 9 4 r e n 5 螂p r o j2 0 0 0 r e 2 0 0 0 0( 3 2 9 ) 冷水侧换热准则方程式：肌- 0 2 6 9 4 r e ”p r 0 4 。2 0 0 0 r e 姗 ( 3 3 0 ) 图3 3 水一水换热实验数据处理 图3 3 所示数据处理结果。在图3 3 中，上下两条虚线表示1 0 的误差范围， 可以看出，实验数据回归性良好。 3 4 2 实验结果与数值计算结果的比较 为验证第二章所做数值计算的可靠性，将本章实验研究的结果与数值计算的 结果都放到图3 4 中进行对比。在图3 4 上可以看出，实验所得换热准则方程式 和数值计算所得换热准则方程式随r c 数的变化趋势几乎一样，在数据上也相差 山东大学硕士学位论文 很小，最大相差约为9 6 。这说明了利用数值计算方法在板式换热器换热与流 动阻力研究方面的可行性和可靠性，本文后面大量的研究采用数值计算的方法。 图3 4 实验结果和数值模拟结果的比较 3 5 复合波纹与人字型板式换热器性能比较 板式换热器型式种类繁多，板片型号不同板片尺寸差别很大，不同的板片 型号，其换热准则方程式和摩擦系数关系式相互之间可比性较差。m u l c y 在其博 士论文中将有代表性的人字形板式换热器的文献研究结果作了统计例，本文从 中选取了三种波纹倾角为4 5 度的人字型板片与本文实验板片进行性能比较。换 热因子、摩擦系数如图3 5 、图3 6 所示。 图3 5 换热因子比较 山东丈学硕士学位论文 图3 6 摩擦系数比较 在图3 5 上可以看出，本文选取的三种波纹倾角4 5 度的人字型板片换热因 子都比复合波纹板片换热因子高；相应地，三种人字型板片摩擦系数都比复合波 纹板片摩擦系数大，见图3 6 。 3 6 复合波纹型板式换热器流场和温度场分析 3 6 1 复合波纹曲面对强化换热的影响 文献研究表明【4 3 l ，强化传热的措施大体为以下三种方法：减薄热边界层 厚度、加强流体各部分混合和增加固体壁面处的速度梯度。通过数值计算， 得出复合波纹型板式换热器内部单周期内的流场。如图3 7 和图3 8 所示， 复合波纹型板式换热器内部流场呈现周期的收缩扩张，这使得流体流动速 度不仅在方向上周期的变化，在数值上也会周期的变化。这种周期性变化 有利于流体的相互混合，也相应地能够减薄热边界层厚度，因而达到强化 传热的作用。 山东大学硕士学位论文 图3 7 复合波纹板式换热器内单周期流场( 收缩) 图3 8 复合波纹板式换热器内单周期流场( 扩张) 3 6 2 复合波纹曲面对流动阻力的影响 复合波纹型板式换热器与 ，- 釉 传统人字型板式换热器在阻力 性能上表现出的差别，其本质上 是流动形式的差异。 w w f o c k e f l 4 j 及王中铮、赵镇 南1 1 6 】1 1 7 】实验观察发现：人字型 板式换热器通道内主要流动形 态有两种。在波纹倾斜角未达到 ，1 4 5 圈圈 ( a ) ( i 图3 9w w f b c k e 公布的流动形 态随波纹倾角变化示意图 山东大学硕士学位论文 6 0 。时，流动状态为两组十字交叉流，即流体先在一侧板上沿沟槽流动，当到达 板的边缘处时，像被反射似的折转到通道另一个板片的沟槽中流向另一边缘。波 纹倾斜角达到8 0 。附近时，流体仍主要沿沟槽流动，但折返点不再出现于板片 的左右两侧，而是发生在波纹的触点。流动呈连续的并行小波纹状，文献上称这 种形态为曲折流( z a g z a g ) 。据认为就是两股交叉流动在相反方向上的互相拖曳 作用最终导致了在倾角8 0 。附近流动形态的根本改变。其具体流动型式如图3 9 所示。 文献【删采用数值计算方法得出人字型板式换热器在不同波纹倾角b 下的速 度场，与w w f o c k e 及王中铮、赵镇南通过实验得到的结论比较吻合。下面比 较相同波纹夹角下的人字型和复合波纹型板式换热器内部的流场，以探讨这两种 板式换热器换热与阻力性能有差异的原因。 为方便与文献【州中的速度场进行比较，选取波纹夹角b = 4 0 。的复合波纹板 片进行数值计算，得到如图3 1 0 所示的复合波纹型板式换热器内部速度场。在 图3 1 0 中，可以看出流体基本沿横波波纹构成的主通道流动，有少部分流体沿 纵波纹方向流动与主流产生了交叉，即流体由一个主通道流沿着倾斜的横波波纹 流向相邻的另一个主通道；对照图3 1 1 中b = 4 0 。人字型板式换热器内部速度 场，此时流动为十字交叉流，流体先在一侧板上沿沟槽流动，当到达板的边缘处 时，折转到通道另一个板片的沟槽中流向另一边缘，流动交叉频繁，流体间相互 交叉程度很大。通过比较可以看出，复合波纹型板式换热器内流体混合程度变差， 相互阃拖拽作用减小，这是复合波纹型板式换热器比人字型板式换热器换热效率 降低、摩擦系数变小的主要原因。 图3 1 0b = 4 0 。复合波纹型板式换热器内部速度场 山东大学硕t 学位论文 3 7 本章小节 图3 1 1 8 = 4 0 。人字型板式换热器内部速度场 搭建了测试板式换热器换热性能的水一水换热实验台。对板片几何参 数为波纹夹角8 = 4 5o 、横波波距毛= 3 0 榭l 、横波波高产1 5 册、纵波波距 ；= 1 6 删和纵波波高h ：= 1 5 删的复合波纹板式换热器进行了换热实验测 试，最终得出了该复合波纹板片的换热准则方程式。 实验结果与数值计算结果比较表明：数值计算选取模型以及数值计算 结果可靠，因此用数值计算方法计算复合波纹型板式换热器的换热和阻力 性能是可行的，为后面大量数值计算提供了理论支持。 最后，通过对传统人字型板式换热器和复合波纹型板式换热器内部流场的 比较，分析了人字型和复合波纹型板式换热器在流动方式上的不同，正是这种流 动方式的不同，导致在换热以及阻力性能方面复合波纹型板式换热器与人字型板 式换热器的差别。 山东大学硕士学位论文 4 复合波纹型板式换热器水一油换热实验研究 4 1 引言 通过上一章复合波纹型板式换热器水一水换热实验，已经获得了复合 波纹板式换热器在2 0 0 0 t r e c 2 0 0 0 0 范围内、湍流状态下的换热特性。板式 换热器在有些工业应用领域，特别是在石油化工行业，流体粘度很高，流 动基本属于层流流动状态，因此对于板式换热器在低雷诺数范围内、层流 状态下换热性能的研究也有着比较重要的意义。本章介绍了复合波纹型板 式换热器水一油换热实验系统、实验步骤、数据处理方法以及结论，获得 了复合波纹型板式换热器在层流状态下的换热特性。 4 2 水一油换热系统 热水水