板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究

引言

熱交換器是一種將熱量從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)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(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

板式換熱器的結(jié)構(gòu)可分為兩部分:一部分是框架結(jié)構(gòu),主要用于支撐整體結(jié)構(gòu):另一部分是金屬板片,用作傳熱的關(guān)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(gè)角開(kāi)有角孔和密封墊片,用于介質(zhì)的流道,起到減少液體向外泄漏和換熱液體相互內(nèi)漏的作用。當(dāng)板式換熱器正常工作時(shí),密封墊片按工藝流程進(jìn)行組合密封并與傳熱板進(jìn)行連接,兩角孔互相連接,形成通道。相應(yīng)通道內(nèi)的傳熱物質(zhì)在相近通道內(nèi)朝著相反的方向運(yùn)動(dòng),提高了熱傳遞效率,加強(qiáng)了熱輻射、對(duì)流換熱的效果。按板片形式來(lái)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(gè)類型。

現(xiàn)有的板片形狀以人字形最多,已有文獻(xiàn)也主要是對(duì)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(duì)流動(dòng)和換熱的影響進(jìn)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(yīng)用的主要因素。本文對(duì)一種橢圓形截面板式換熱器的板片波紋形式進(jìn)行設(shè)計(jì),通過(guò)數(shù)值模擬軟件Fluent對(duì)板片的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以達(dá)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(shè)計(jì)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(jìn)入,板束與板束之間錯(cuò)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(jié)構(gòu)緊湊,傳熱效率好,但并沒(méi)有明確制訂該板型的尺寸選擇。

2數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橢圓形截面板式換熱器中,設(shè)板束與板束的間距為h,冷卻水進(jìn)口橢圓長(zhǎng)軸為a,短軸為c:設(shè)計(jì)板束長(zhǎng)240mm,寬400mm。

板式換熱器的換熱性能主要包括換熱量和煙氣側(cè)壓力損失。

設(shè)換熱量為0[單位為kw/(m2·s）],計(jì)算式為:

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

設(shè)煙氣側(cè)壓力損失為△P(單位為Pa）,板式換熱器綜合性能指標(biāo)為:

2.1板間距對(duì)性能的影響

設(shè)定長(zhǎng)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(jì)算不同板間距下的換熱量和煙氣側(cè)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(shí)壓力損失也隨之增大。

計(jì)算綜合性能指標(biāo),其變化趨勢(shì)如圖3所示。在間距取值為22mm時(shí),綜合性能指標(biāo)取到最大值。

圖3  板間距變化時(shí)的綜合性能指標(biāo)

2.2長(zhǎng)軸對(duì)性能的影響

設(shè)定短軸為16mm,板間距為22mm,其余邊界條件同2.1,計(jì)算不同長(zhǎng)軸時(shí)的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失,如圖4所示。

圖4  長(zhǎng)軸變化時(shí)的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失

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

計(jì)算綜合性能指標(biāo),其變化趨勢(shì)如圖5所示。長(zhǎng)軸越大(通道數(shù)越小）,指標(biāo)越好,但由于增加長(zhǎng)軸時(shí)換熱量下降,從而導(dǎo)致?lián)Q熱不足。因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,選取長(zhǎng)軸為30mm,通道數(shù)為8。

圖5  長(zhǎng)軸變化時(shí)的綜合性能指標(biāo)

2.3短軸對(duì)性能的影響

設(shè)定長(zhǎng)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(jì)算不同短軸時(shí)的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失,如圖6所示?？梢钥闯?短軸越小,換熱量越大,同時(shí)壓力損失也越小。

圖6  短軸變化時(shí)的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失

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

圖7  短軸變化時(shí)的綜合性能指標(biāo)

2.4煙氣流速對(duì)性能的影響

設(shè)定長(zhǎng)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(jì)算不同煙氣流速下的換熱量和煙氣側(cè)壓力損失,如圖8所示。

圖8 煙氣流速變化時(shí)的換熱量和煙氣側(cè)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(shí)增加。

計(jì)算綜合性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn),煙氣流速越大,換熱器綜合性能越好,變化趨勢(shì)如圖9所示。但過(guò)大的煙氣流速可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱時(shí)間不足,煙氣不能充分冷卻,排煙溫度過(guò)高,因此,選取煙氣進(jìn)口流速為6m/s。

3結(jié)論

本文利用F1uen軟件對(duì)板式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分析了板片結(jié)構(gòu)參數(shù)及煙氣流速對(duì)換熱器性能的影響,得到具體結(jié)論如下:

(1）板間距越小,換熱器單位時(shí)間的換熱量越大,但壓力損失也越大。對(duì)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(biāo)最佳。

圖9  煙氣流速變化時(shí)的綜合性能指標(biāo)

（2）長(zhǎng)軸越大（通道數(shù)越少）,換熱器單位時(shí)間換熱量越小,壓差也越小,綜合性能指標(biāo)越大。但增加長(zhǎng)軸時(shí),單位時(shí)間換熱量下降,從而導(dǎo)致?lián)Q熱不足。綜合考慮,長(zhǎng)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(shí)間換熱量越大,壓力損失也越小,綜合性能指標(biāo)越大。選取短軸為12mm,對(duì)應(yīng)板間距為16.5mm。

（4）煙氣流速越大,換熱器單位時(shí)間換熱量越大,壓力損失越大,綜合性能指標(biāo)也越大。但過(guò)大的煙氣流速可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱時(shí)間不足,煙氣不能充分冷卻,排煙溫度過(guò)高。因此,選取煙氣進(jìn)口流速為6m/s。