板式換熱器的結構設計和優(yōu)化研究

引言

熱交換器是一種將熱量從一種介質傳遞到另一種介質的裝置,廣泛用于石油、化工、能源、食品和其他行業(yè)。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)和緊湊的結構在工業(yè)領域中得到了廣泛應用。

板式換熱器的結構可分為兩部分:一部分是框架結構,主要用于支撐整體結構:另一部分是金屬板片,用作傳熱的關鍵部件。板片是由薄板用研磨工具壓制出波紋,薄板片的4個角開有角孔和密封墊片,用于介質的流道,起到減少液體向外泄漏和換熱液體相互內漏的作用。當板式換熱器正常工作時,密封墊片按工藝流程進行組合密封并與傳熱板進行連接,兩角孔互相連接,形成通道。相應通道內的傳熱物質在相近通道內朝著相反的方向運動,提高了熱傳遞效率,加強了熱輻射、對流換熱的效果。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個類型。

現(xiàn)有的板片形狀以人字形最多,已有文獻也主要是對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）對流動和換熱的影響進行研究。但人字形板式換熱器的阻力一般較大,往往成為限制其應用的主要因素。本文對一種橢圓形截面板式換熱器的板片波紋形式進行設計,通過數(shù)值模擬軟件Fluent對板片的幾何參數(shù)進行優(yōu)化設計,以達到換熱量高、壓力損失小的目的。

1板式換熱器數(shù)值模型

設計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,冷卻水由該通道進入,板束與板束之間錯位疊放,板束之間為煙氣的波紋型通道,如圖1所示。該板型結構緊湊,傳熱效率好,但并沒有明確制訂該板型的尺寸選擇。

2數(shù)值模擬及結構優(yōu)化

橢圓形截面板式換熱器中,設板束與板束的間距為h,冷卻水進口橢圓長軸為a,短軸為c:設計板束長240mm,寬400mm。

板式換熱器的換熱性能主要包括換熱量和煙氣側壓力損失。

設換熱量為0[單位為kw/(m2·s）],計算式為:

式中:c為煙氣比熱[J/kg·℃）]:△r為煙氣進出口的溫度差(℃）:V為煙氣流速(m/s）:p為空氣密度(kg/m3）。

設煙氣側壓力損失為△P(單位為Pa）,板式換熱器綜合性能指標為:

2.1板間距對性能的影響

設定長軸×通道數(shù)為30mm×8,短軸16mm,水速0.5m/s,煙氣流速5m/s,入口溫度130℃,計算不同板間距下的換熱量和煙氣側壓力損失,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,但同時壓力損失也隨之增大。

計算綜合性能指標,其變化趨勢如圖3所示。在間距取值為22mm時,綜合性能指標取到最大值。

圖3  板間距變化時的綜合性能指標

2.2長軸對性能的影響

設定短軸為16mm,板間距為22mm,其余邊界條件同2.1,計算不同長軸時的換熱量和煙氣側壓力損失,如圖4所示。

圖4  長軸變化時的換熱量和煙氣側壓力損失

可以看出,長軸越?。ㄍǖ罃?shù)越多）,換熱量越大,但同時壓力損失迅速增加。

計算綜合性能指標,其變化趨勢如圖5所示。長軸越大(通道數(shù)越?。?指標越好,但由于增加長軸時換熱量下降,從而導致?lián)Q熱不足。因此,在實際設計中,選取長軸為30mm,通道數(shù)為8。

圖5  長軸變化時的綜合性能指標

2.3短軸對性能的影響

設定長軸×通道數(shù)為30mm×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,計算不同短軸時的換熱量和煙氣側壓力損失,如圖6所示?？梢钥闯?短軸越小,換熱量越大,同時壓力損失也越小。

圖6  短軸變化時的換熱量和煙氣側壓力損失

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

圖7  短軸變化時的綜合性能指標

2.4煙氣流速對性能的影響

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

圖8 煙氣流速變化時的換熱量和煙氣側壓力損失

可以看出,隨著煙氣流速的增大,換熱量增大,壓力損失同時增加。

計算綜合性能指標發(fā)現(xiàn),煙氣流速越大,換熱器綜合性能越好,變化趨勢如圖9所示。但過大的煙氣流速可能會導致?lián)Q熱時間不足,煙氣不能充分冷卻,排煙溫度過高,因此,選取煙氣進口流速為6m/s。

3結論

本文利用F1uen軟件對板式換熱器進行了數(shù)值模擬計算,分析了板片結構參數(shù)及煙氣流速對換熱器性能的影響,得到具體結論如下:

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

圖9  煙氣流速變化時的綜合性能指標

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

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

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