板式換熱器的研究現狀
現有板式換熱器板片波紋形狀以人字形居多,已有大量文獻針對波紋 的幾何參數(波紋的間距、高度、夾角等)對流動和換熱的影響進行了研 究。釆用有限擴散電流技術,并通過類比關系來估計傳熱速 率。通過實驗觀察到了波紋角度對摩擦系數/和傳熱因子丿以及流體流動 形態變化趨勢的影響。趙鎮南[或根據已有實驗數據,對波紋幾何參數對換 熱及流動的影響進行了研究,發現與Focke W. W一樣的規律。同時得出在 相同的通道阻力降下,無論波紋角度大小,傳熱速率都基本相等,雖然該 結論是在常物性及統一的0.6次幕函數等假設下得出來的,但不失為一個板 式換熱器基本特性具有重要意義的認識。Muley和R.M.Manglikm]通過對不 同形式板式換熱器實驗結果的分析,將人字形波紋角度和面積擴展系數的 影響考慮到換熱系數和摩擦系數的計算中,最終得到包含波紋角度和面積 擴展系數的換熱準則方程式和摩擦系數關系式。Yasar Islamoglu[17]對空氣 通過水平平直波紋板進行試驗,測試不同流道高度對換熱與流動阻力的影 響,發現血隨著流道高度的增加而增大,同時摩擦系數逐漸增大,總體換 熱效果并不好,并得出小波高流道換熱更好的結論。周明連卩句通過流形觀 測發現板式換熱器內的流量分配不均勻,偏流的存在降低了板式換熱器的 傳熱性能,增大了流阻。在壓力降測試的基礎上,提出了單元流路分析的原 理和方法,能夠定量計算板式換熱器內的流量分布,并計算了BRIO和BR12 兩種板式熱交換器。計算表明,進出口段的波紋形式能顯著地影響板式換 熱器內的流量偏差。通過誤差分析驗證了單元流路分析結果的可靠性。
通過實驗可以研究綜合換熱特性和阻力特性,但對速度場與溫度場的 分布,研究難度很大,隨著計算機技術的發展,數值模擬成了一種重要的研 究方法。Koen Grijspeerdt, Birinchi Hazarka, Dean Vucinic[19]對人字形板式 換熱器分別進行了2D和3D數值計算,得出結論:通過2D計算可以得到波紋 形狀的影響,3D計算可以得到波紋角度的影響。并通過計算得到優化波紋 的模型。Flavio C.C.Galeazzo, Raquel Y Miura, Jorge A.W.Gut[20]通過數值
模擬和實驗兩種方法對由平板構成的換熱器進行了換熱特性的研究,研究 結果表明數值模擬的有效性以及準確性,并指出數值模擬能進行溫度場、 速度場的描繪。Ciofalo.M.等【21]人利用有限元法對波紋板式換熱器過渡區 和弱紊流狀態進行了數值模擬和實驗驗證,可為其它板形換熱器數值計算 提供參考。陰極翔SI等通過數值模擬得出波紋通道間距對板內流動與換熱 影響規律,即在入口條件相同的條件下,渦流量隨著波紋間距的減少而增 大,以反= 2.55為界,繼續減少波紋間距,通道內就會出現渦流強度不均勻 現象。張冠敏SI通過數值模擬研究了波紋板片三個幾何參數波紋角度、波 高和波距對波紋板片換熱與阻力特性的影響,得出質量因子丿7/•隨三個波 紋參數的變化規律。金志浩等'靈以室溫下的水為介質,以渦量-流函數為 理論基礎,運用代數變換法生成適體坐標,通過有限差分對波紋板片內流 場進行了數值模擬;并以應=500為例,求出了其板內流體的速度場和壓力 場,進而對同一周期內和不同周期的速度場和壓力場進行分析,給出了速 度和壓力分布變化曲線圖,得出了不同雷諾數下流動阻力損失變化曲線與 阻力關聯式,為波紋板的強化傳熱研究提供了有利的參考。
很多文獻針對板片的改進進行了研究。K wan-Soo Lee,Woo-Swung Kim和Jong-Min Si^】在文獻中指出,在板式換熱器板片之間鑲嵌錐形圓釘 以提高流體流動時的擾動,進而增強換熱。并提出影響換熱性能的四個影 響因素一鑲嵌圓釘的橫向距離、縱向距離、圓釘高度、錐形角度的優化方 案。王中錚和呂靜〔26〕提出一種新元件一直角三角翼。流體通過直角三角翼 時,在直角三角翼背面空間內產生漩渦,這些縱向漩渦促進了主流區與傳 熱壁面附近流體間的動量和能量的交換,強烈的擾動對邊界層起到減弱或 破壞作用,因而達到強化傳熱的效果。張冠敏[231在板形上進行了改進,提 出一種新的板形一波浪板式換熱器,板間收縮擴張的通道對板間的流體進 行擾動混合,起到強化換熱作用,并進行了數值模擬和試驗研究。相對于 傳統的板式換熱器,換熱效果增強,摩擦因子降低。湖南大學任承欽、張 國強等人【27],設計了一種隔板為六邊形的板式換熱器,并對此進行了數值 模擬,模擬結果表明,該換熱器具有準逆流換熱的特點和強化換熱作用。
除了對板式換熱器在高雷諾數范圍內換熱與阻力性能的研究,還有很 多學者對板式換熱器在低雷諾數范圍內換熱與阻力性能進行了研究。馬學
虎等[2幻根據實驗數據分別從板片波紋角度、波距和波高三方面對板式換熱 器的傳熱、阻力影響進行了理論分析。在低/?e(200<^<1300)條件下, 從對傳熱效果影響程度來看,波距要大于波紋角度和波高;而對壓降的影 響,波距要小于波紋角度和波高。根據實驗數據回歸了相應板片傳熱系數、 阻力系數的經驗關聯式,計算值與實驗值有較好的一致性;并對板式換熱 器進行了熱力學分析,為板式換熱器在小流量、低流阻情況下的工業應用 提供板形、流程設計的理論依據。李建軍如以柴油機機油冷卻器為例對低 雷諾數流動換熱器的傳熱和阻力特性進行了實驗研究,對冷卻器內流體的 溫度場和流場進行了數值模擬,并對數值模擬結果和實驗值進行了分析比 較。通過對油水板翅式換熱器進行的性能試驗得到了低雷諾數下的錯位翅 片傳熱因子與摩擦系數的準則關系式,最終根據這些準則關系式提出了一 個衡量翅片質量的經濟系數。Muley[30]用水和蔬菜油作為換熱介質,通過 水一水和水一蔬菜油換熱阻力實驗,對人字形板式換熱器進行了換熱和阻 力性能研究,并指出了不同波紋角度板片組合板式換熱器時,流動狀態由 層流向湍流轉變時的數范圍。
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