第7章传热学板类传热面强化

1、中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21第七章 板类传热面的强化传热7.17.1板式换热器板式换热器 可拆式板式换热器可拆式板式换热器可清洗密封性差 焊接式板式换热器焊接式板式换热器分全焊和半焊 钎焊板式换热器钎焊板式换热器尺寸较小中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21 波纹板传热面可以从波纹板传热面可以从场协同原理的三方面场协同原理的三方面同时强化传热。同时强化传热。 世界上第一台板式换世界上第一台板式换热器。热器。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21可拆式板式换热器

2、中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21全焊接式板式换热器中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21激光焊接板式换热器中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21半可拆式板式换热器中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21钎焊板式换热器结构中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21板片正面中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强

3、化传热技术强化传热技术2022-2-21钎焊板式换热器中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21波纹板的网流通道中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-217.2板翅式换热器与分形锯齿翅片7.2.1板翅式换热器结构 板翅式换热器由板翅式换热器由芯体、芯体、封头和接管封头和接管组成。组成。 板翅式换热器芯体由板翅式换热器芯体由隔隔板、封条和翅片板、封条和翅片组成，组成，翅片不仅对流体产生扰翅片不仅对流体产生扰动，扩展了隔板的传热动，扩展了隔板的传热面积，而且对隔板形成面积，而且对隔板形成支撑定距作用。支撑定距作用。 板翅式

4、换热器因其结构板翅式换热器因其结构紧凑、轻巧、传热效率紧凑、轻巧、传热效率高的特点被认为是最有高的特点被认为是最有发展前途的新型热交换发展前途的新型热交换设备之一。设备之一。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21板翅式换热器中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21 板翅式换板翅式换热器热器中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21翅片形式中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21锯齿翅片 锯齿锯齿型翅片（型翅片（off-set fin）是

5、一种传热效果是一种传热效果较好，对流体介质的适应性较宽，且承压较好，对流体介质的适应性较宽，且承压性能优良的翅片。性能优良的翅片。百页窗翅片中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21 微型燃气轮机回热器，只有一次传热面。微型燃气轮机回热器，只有一次传热面。 耐高温的不锈钢材料导热系数较低，不适合做翅耐高温的不锈钢材料导热系数较低，不适合做翅片（二次表面）。片（二次表面）。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21 翅片焊接翅片焊接在扁平管在扁平管上，汽车上，汽车用散热器用散热器 扁平管通扁平管通常是多孔常是多孔管，能耐

6、管，能耐压。压。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21板翅式换热器的优势与局限 一般紧凑度一般紧凑度700m2/m3称为紧凑换热器。称为紧凑换热器。板翅式换热器的紧凑度通常在板翅式换热器的紧凑度通常在10006000 m2/m3。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21几种分形

7、图案中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21锯齿翅片(off-set fin) 锯齿锯齿型翅片（型翅片（off-set fin）是一种传热效果较好，是一种传热效果较好，对流体介质的适应性较宽，且承压性能优良的对流体介质的适应性较宽，且承压性能优良的翅片。翅片。 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21不同阶数的分形锯齿翅片s3s2s1123中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21分形锯齿翅片双尺度锯齿翅片双尺度锯齿翅片中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热

8、技术2022-2-21分形翅片强化对流传热 分形锯齿翅片低阶大尺度的分形锯齿翅片低阶大尺度的偏移保证了在流动过程主流偏移保证了在流动过程主流流体和近壁滞止流体流体和近壁滞止流体“角色角色”不断转换；不断转换； 而高阶小尺度的偏移量由于而高阶小尺度的偏移量由于与流体边界层厚度的数量级与流体边界层厚度的数量级相近，从壁面另一侧来的流相近，从壁面另一侧来的流体将可能在分段处孔口深入体将可能在分段处孔口深入这一侧边界层内部，这对于这一侧边界层内部，这对于边界层流体的扰动和更新会边界层流体的扰动和更新会起到重要作用，可在流动阻起到重要作用，可在流动阻力增加不多的条件下产生较力增加不多的条件下产生较大强化

9、传热作用，这是普通大强化传热作用，这是普通锯齿翅片所不具备的。锯齿翅片所不具备的。流体在分形锯齿翅片流体在分形锯齿翅片通道中的分流和汇合通道中的分流和汇合 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21强化液膜过程的传热传质 小偏移量的分段孔口和水平沟槽小偏移量的分段孔口和水平沟槽有利于在张力和重力作用下，使有利于在张力和重力作用下，使喷淋液膜在传热表面良好分布和喷淋液膜在传热表面良好分布和含蓄，延长逗留时间，不易发生含蓄，延长逗留时间，不易发生干斑，这对于溴化锂制冷机的蒸干斑，这对于溴化锂制冷机的蒸发器和吸收器都相当重要。发器和吸收器都相当重要。 此外溶液在

10、分形锯齿翅片表面降此外溶液在分形锯齿翅片表面降膜流动时会不断膜流动时会不断反转液膜反转液膜，使浓，使浓度高、温度低，深藏在液膜内部度高、温度低，深藏在液膜内部的具有较强的吸收能力溶液翻转的具有较强的吸收能力溶液翻转到相界面上来吸收蒸汽，促使暴到相界面上来吸收蒸汽，促使暴露的膜表面溶液不断更新，维持露的膜表面溶液不断更新，维持较大的吸收势差，使吸收能力增较大的吸收势差，使吸收能力增强。强。 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21板翅式换热器风冷侧数值模拟 计算域翅片结构0iiux基本控制方程组 jijijijxxpuuxipeffiiixTckxTux主

11、流区：标准k-湍流模型近壁区：采用壁面函数法中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21 三维六面体单元几何模型三维六面体单元几何模型 入口设定为速度边界条件入口设定为速度边界条件 出口设定为压力出口边界条件出口设定为压力出口边界条件 翅片表面温度二次曲线分布翅片表面温度二次曲线分布 上下两个界面设定为对称面边界条件上下两个界面设定为对称面边界条件 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21切片截面上的速度分布（单位m/s） 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21切片截面上的温度

12、分布（单位K） 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21翅片表面的温度分布（单位K） 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21切片截面上的湍流强度分布 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21翅片表面上的湍流强度分布 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21翅片表面的换热系数分布(单位W/m2K) 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21翅片表面的压力分布(单位Pa) 中国 南京能源与环境学院能源

13、与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-217.3板壳式换热器 板壳式换热器由波纹板板束和壳体构成，它是集板壳式换热器由波纹板板束和壳体构成，它是集板式换热器传热效率高、结构紧凑和管壳式换热板式换热器传热效率高、结构紧凑和管壳式换热器适应面宽广优点于一身的新型换热设备器适应面宽广优点于一身的新型换热设备 。 传热面可以由带传热面可以由带2 2孔的或无孔的波纹板，也可由带孔的或无孔的波纹板，也可由带2 2孔的板翅式换热器的芯体以及热板等组成。孔的板翅式换热器的芯体以及热板等组成。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21 板壳式溴化锂板壳式溴化锂吸收

14、式制冷机吸收式制冷机中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-217.3.1冷凝器用同向双尺度波纹板对于凝结过程，小波纹更有利于减薄液膜，强化凝结侧传热系数；但将影响板内外流体的通流量。为此提出了能兼顾流通面积和强化传热效应的同向双尺度波纹。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-217.3.2交叉双尺度波纹板传热面 对于液膜传热传质过对于液膜传热传质过程，设计了交叉双尺程，设计了交叉双尺度波纹板。度波纹板。相邻板片的大波纹的相邻板片的大波纹的脊线互相顶靠，形成脊线互相顶靠，形成菱形空间，主要作为菱形空间，主要作为布膜液体和

15、蒸气进出布膜液体和蒸气进出传热面的通道，传热面的通道，而沟槽呈水平方向的而沟槽呈水平方向的小波纹则起增强马兰小波纹则起增强马兰格尼效应，使液膜分格尼效应，使液膜分布均匀并防止液膜干布均匀并防止液膜干涸的作用。涸的作用。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig. 3 Thickness of the film along the flowqFig. 3 shows that the film thickness along the flow over total plate varies with the periodicity of the cor

16、rugations;中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig. 4 Dimensionless velocity U along the flow qFig. 4 shows that the dimensionless velocity U in each layer of the film fluctuates correspondingly;中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig. 5 Dimensionless velocity U at first pitch qVelocity varie

17、s considerably at the first corrugation pitch, which is detailed in Fig. 5. 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig. 6 Temperature profile in solution filmFig. 6 shows the temperature profile in solution film:qTemperature in outer layer of the film is higher than that in inner layer. reason: the

18、 plate wall is cooled by cooling water, while the liquid near interface is heated by latent heat of steam absorbed and the thermal resistance exists in the film. qTemperature gradients at both boundaries are higher than that at the medium layer.中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig. 7 temperat

19、ure profile in solution film at first pitchqIt can also be seen that the temperature varies considerably at the very beginning, which is detailed in Fig. 7.中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig. 8 Concentration profile in solution filmqFig. 8 shows the concentration profile in solution film, w

20、hich reveals that there is very little change of concentration near the wall along the flow, and two near the wall curves almost coincide each other.qMost mass transfer takes place in the outer layer of the film. 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig 10 Sketch of absorption test device proper中

21、国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig 11 Sketch of a plate couple with 2-scale crosswise corrugations (in part) 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig 5 heat transfer coefficient Fig 6 mass transfer coefficient versus solution sprinkle versus solution sprinkle 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热

22、技术2022-2-217.4膜反转吸收过程模拟 对溴化锂溶液降膜吸收过程表明，沿着液膜向下对溴化锂溶液降膜吸收过程表明，沿着液膜向下流动的方向，液膜外层温度较高而溶液质量分数流动的方向，液膜外层温度较高而溶液质量分数逐步降低；液膜内层则是温度逐步降低而溶液质逐步降低；液膜内层则是温度逐步降低而溶液质量分数变化很小，即外层冷不下，内层稀不了，量分数变化很小，即外层冷不下，内层稀不了，此时若能将液膜反转就可有效改善传热传质。此时若能将液膜反转就可有效改善传热传质。 2003年年Md R Islam, et al. 提出了提出了2种液膜反转方案种液膜反转方案(如图如图)，一种为板式，一种为管式。，一

23、种为板式，一种为管式。 崔晓钰等在之基础上也提出了一种由矩形管组成崔晓钰等在之基础上也提出了一种由矩形管组成的板式膜反转降膜吸收器的方案。的板式膜反转降膜吸收器的方案。 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21液膜反转 Islam, et al designed film inversion schemes Only half of area is used to configure film inversionw f sf s: t, w: t,-中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21交叉双尺度波纹板上的双面液

24、膜反转bottom plate bundles upper plate bundles conjunction guiders leftrightrightleftAfter inversion, coolerand richer LiBrsolution film layer exposes to the steam,while both sides usedCombined enhancement: corrugation & film inversion中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21双面液膜反转耙型导流器 A pair of altern

25、ate film-inverting guiders 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21交叉双尺度波纹板 Two-scale crosswise corrugation plate bundle cooling wateraqueous Li-Br solution Two-scale crosswise corrugationsmall corrugations make film turbulent and distribution uniform large corrugation for solution film and coolant

26、steam flow 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig.4 Distributions of dimensionless velocity, temperature and concentration of liquid film profile before and after film-inversion (a) Dimensionless velocity (b) Temperature (c) Concentration at wallfree surfacefree surfaceat wall中国 南京能源与环境学院能源与环境学

27、院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig.5 Variations of t & of film layers at wall, free surface and mean value of both continuous film and inverted film(a)Temperature averageat free surfaceat wall(b) Concentrationat wallaverageat free surface中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21Fig. 6 variations of both vapor

28、 absorption flux and heat transfer coefficient h with the number of film inverting N the total height of the plates is fixed. both vapor absorption flux and heat transfer coefficient rise with the increase of the number of film-inversion; but the gains decrease with the increase of the number of fil

29、m-inversion. vapor absorption flux gain 73% heat transfer coefficient h gain 58% 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-217.5热板换热器 特点：虽然用薄板，但耐压性能较强；节省优质特点：虽然用薄板，但耐压性能较强；节省优质材料；此类凹凸表面的阻力系数较小。板内板外材料；此类凹凸表面的阻力系数较小。板内板外都可得到强化。都可得到强化。中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21中国 南京能源与环境学院能源与环境学院强化传热技术强化传热技术2022-2-21作为机械搅拌釜内的加热或冷却夹套作为食品或药品