球面不連續(xù)波紋板式換熱器傳熱與流動特性研究.pdf

1、換熱器是實現(xiàn)不同介質(zhì)之間熱量傳遞的通用設備，既是工藝過程裝置，也是余熱回收設備，廣泛應用于電力、冶金、化工、食品等工業(yè)部門，以及城市集中供熱系統(tǒng)。通常情況，換熱器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況及水平與一個國家或地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展程度、社會的能源利用方式密切相關(guān)，同時也直接影響了能源的綜合利用效率。我國正處于經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展階段，城市化進程迅速，也必然伴隨著能源的大量消耗，這無疑給換熱器行業(yè)帶來巨大的機遇與挑戰(zhàn)。
　　 目前，我國的能源利用效率約為3

2、3％，與發(fā)達國家相比還相對偏低。主要原因之一是約占我國能源消費總量70％的工業(yè)領(lǐng)域存在著大量的工業(yè)余熱(廢熱)，特別是大量較低品位的余熱資源沒有得到有效地回收和利用。與此同時，我國的能源需求和消耗卻在不斷增加。其中，與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的就是隨著城市化進程而來的城市民用能源需求的大幅增加。近十年來，我國一直處于房屋建筑的高峰期，年施工面積增長率約為12.8％～26.6％，有關(guān)城市建設的相關(guān)問題隨之產(chǎn)生。比如，對于我國廣大地區(qū)，尤其是北

3、方城市，保證居民冬季采暖是一巨大困擾，發(fā)展集中供熱是一種必然選擇。不僅如此，人們對住宅的舒適度要求同樣發(fā)生著顯著變化。冬季供暖不再是人們唯一的熱能需求，小區(qū)住宅熱水供應也正在逐漸成為一種生活必須的能源消耗，這無疑對能源供給，以及現(xiàn)有的換熱設備與技術(shù)提出了新的要求。
　　 事實上，隨著人們對熱傳遞過程研究與應用的認識不斷深入，發(fā)現(xiàn)無論是工業(yè)領(lǐng)域，還是民用領(lǐng)域，都存在著諸多的品位不同的熱能之間的熱交換過程。其中，既涉及冷卻、加熱過程

4、，亦或是多種介質(zhì)實現(xiàn)對某一工作介質(zhì)的熱控制等。從某種意義上說，發(fā)展多介質(zhì)換熱設備符合科學用能的觀點，無論在有效回收利用低品位的熱能方面，還是在合理分配使用較高品位熱能方面都具有其積極的意義。與此同時，多介質(zhì)換熱設備還具有提升系統(tǒng)的緊湊程度，占地面積小，設備投入少，使用靈活等優(yōu)點。
　　 板式換熱器是一種重要的通用設備，具有傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，能夠滿足較低溫差下的熱傳遞過程。在我國，板式換熱器的生產(chǎn)開始于上世紀60年代，目

5、前在很多領(lǐng)域得到了廣泛地應用。其中，每年用于城市集中供熱系統(tǒng)的可拆卸式板式換熱器約占相關(guān)產(chǎn)品總數(shù)的70％左右。
　　 換熱板是板式換熱器的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)與布置、波紋形式及參數(shù)直接決定了換熱介質(zhì)的流動形式，影響了換熱器的換熱及阻力性能，是板式換熱器研究的重點和難點。從1930年出現(xiàn)由薄金屬板壓制的波紋板片，實現(xiàn)了板式換熱器跨越發(fā)展，至今已發(fā)展了水平平直波紋、豎直波紋、人字形波紋、斜波紋等多種常用波紋板片。其中，以人字形波紋板片的

6、應用最為廣泛，研究也最為深入。人字形板式換熱器在應用表現(xiàn)出高效緊湊的顯著優(yōu)點，同時表現(xiàn)出流動阻力大的不足，國內(nèi)外很多學者致力于此方面的研究，發(fā)展新的板型也成為當前板式換熱器研究的重要方向之一。
　　 目前，板式換熱器在我國的生產(chǎn)已極為普遍，但與國際先進水平相比，還有很大的差距，表現(xiàn)為或者是一種低水平重復，或者是一種簡單模仿。這種差距主要體現(xiàn)在板片厚度、板片波紋形式、設計方式等方面的差異，以及由于以上原因造成的換熱器性能上的差距。

7、如化工領(lǐng)域的換熱設備，我國換熱設備的傳熱系數(shù)一般只及發(fā)達國家同類設備20％～50％。一個主要原因就是相關(guān)的研究數(shù)據(jù)一直受到國外壟斷，自主研發(fā)還缺乏創(chuàng)新，缺乏先進的設計方法和相應的選型軟件等。與此同時，在強化傳熱技術(shù)研究方面，盡管強化傳熱的意義和一些具體的方式(如三維肋、渦流發(fā)生器等)已被人們接受與理解和應用，但對強化傳熱效果的評價及強化傳熱作用的理論分析卻一直未能找到一種恰當表達方式。因此，強化傳熱的研究和高效低耗的節(jié)能換熱設備研究還相

8、對的分散，沒有一個統(tǒng)一標準，高效節(jié)能換熱設備的設計與優(yōu)化缺乏統(tǒng)一的理論指導，也在一定程度了制約了板式換熱器的發(fā)展。
　　 基于以上情況的綜述，本文首先分析了已有的常用換熱器性能評價指標。認為傳統(tǒng)的換熱器評價指標的共同特點是以熱量的傳遞速率、阻力系數(shù)的大小，或其綜合指數(shù)來評判對流換熱過程的優(yōu)劣，但對于傳熱過程的優(yōu)化卻沒有一個清晰的表達，很難用于換熱設備的優(yōu)化設計。并且，傳統(tǒng)的強化傳熱技術(shù)更多的是憑借經(jīng)驗進行開發(fā)和設計，往往是換熱得

9、到強化的同時，流動阻力增加更為明顯，并不節(jié)能。此外，熱力學第二定律作為一種重要的評價標準，考慮了由流動和傳熱過程中引起不可逆耗散為目標函數(shù)，形成了熵產(chǎn)最小化方法，為換熱設備的優(yōu)化提供了一種理論上的可能，但在換熱器優(yōu)化過程中，發(fā)現(xiàn)存在所謂的“熵產(chǎn)悖論”和某些矛盾。因此，以熵產(chǎn)最小為目標函數(shù)進行換熱器的優(yōu)化和換熱器的性能評價，仍存在不完善的地方。
　　 鑒于以上的換熱設備性能評價及優(yōu)化理論的有關(guān)情況，對過增元教授提出的傳熱強化的場協(xié)

10、同原理及其在換熱器設計優(yōu)化中的應用進行了分析。通過從單項對流換熱的機理，到對流換熱的場協(xié)同理論在換熱設備優(yōu)化設計的應用完整的介紹和分析，認為場協(xié)同理論不僅能夠?qū)σ延械膫鹘y(tǒng)強化傳熱理論有一個統(tǒng)一的解釋，而且能夠為對流換熱的強化研究提供新的思路，為高效節(jié)能的傳熱強化新技術(shù)的研究提供理論基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)在場協(xié)同理論的指導下，研發(fā)的強化傳熱技術(shù)，在某些條件下實現(xiàn)了傳熱增加的倍率大于阻力增加的倍率。同時，筆者認為，場協(xié)同理論的建立為后續(xù)研究留下了空

11、間，對于更復雜也更重要的換熱設備和換熱系統(tǒng)中的場協(xié)同理論有待于進一步的拓展。盡管場協(xié)同理論為開發(fā)新的換熱設備節(jié)能技術(shù)指出了方向，卻仍然不能為傳熱元件和換熱設備的優(yōu)化提供可量化的目標函數(shù)和設計準則。為此，進一步討論和分析了過增元教授在場協(xié)同理論基礎(chǔ)上提出的火積耗散理論，認為火積耗散理論不僅能夠在一定范圍內(nèi)證明場協(xié)同理論的正確性，而在評價換熱性能及進行優(yōu)化設計方面具有重要的價值，對其在多介質(zhì)板式換熱器性能分析中的應用進行了相關(guān)分析，對指導該

12、類換熱器的設計優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　 本文以在國際大科學工程阿爾法磁譜儀(AMS)項目中提出并得到很好應用的新型多介質(zhì)換熱設備結(jié)構(gòu)為出發(fā)點，著眼于民用領(lǐng)域，分析了球面擾流單元的傳熱與阻力性能，進行了相關(guān)設計，并以單對球凸面和單對球凹面的矩形通道進行了數(shù)值分析，驗證了其迎風面能夠減小局部場協(xié)同角的作用。介紹了球面不連續(xù)波的相關(guān)設計及其構(gòu)成的板式換熱器結(jié)構(gòu)。該種新型換熱板片波紋由球凸面和球凹面相間布置，在板間通道內(nèi)，球凸面兩兩相對，

13、頂點接觸構(gòu)成有效的支撐點；換熱板的外形為正六邊形，板片的六個頂角布置了三對進出口，能夠滿足兩種介質(zhì)或三種介質(zhì)同時換熱。該種新型的換熱板的六個端口的球凸面與球凹面均勻布置，力求避免由于端口設計不合理帶來的流場分布不均現(xiàn)象的產(chǎn)生。
　　 在對球面不連續(xù)波紋的正六邊形板式換熱器進行兩流體換熱和三流體換熱的數(shù)值模擬過程中，討論了新型換熱板在順流和逆流狀態(tài)下的性能。與波紋傾角為60°的人字形板式換熱器進行比較，單位壓降下的綜合傳熱性能較優(yōu)

14、。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上擬合了球面不連續(xù)波紋板式換熱器的傳熱準則式和摩擦系數(shù)準則式。通過對換熱器內(nèi)流場、溫度場、壓力場圖形分析，認為板間流道的流動均勻，無流動死區(qū)，端口流場分布合理；不連續(xù)球面波紋起到了強化了傳熱的作用，同時具有較好的阻力性能。在球凸的迎風面和球凹的迎風面呈現(xiàn)傳熱得到強化的表現(xiàn)，并且其作用在相鄰流道實現(xiàn)互補。
　　 對于多介質(zhì)換熱設備而言，流道排列形式相對于兩介質(zhì)換熱而言要復雜的多，流道排列形式的不同，傳熱性能差別較

15、大。本文在針對兩介質(zhì)換熱過程提出的火積耗散數(shù)的概念，發(fā)展為應用于多介質(zhì)換熱的火積耗散數(shù)，并進行了流道排列方式的初步研究。分析認為對于多介質(zhì)換熱過程，流道的布置對換熱器的性能影響較大。在相同的初始條件下，隨著流道數(shù)量的增加，火積耗散數(shù)降低，總的阻力損失也降低；在相同流道數(shù)量條件下，不同的排列形式對應的流體阻力差別不大，而火積耗散數(shù)差別較大。本文還分析了獲得較優(yōu)流道布置的途徑。
　　 在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，搭建了換熱器傳熱與阻力性能綜

16、合實驗平臺，對球面不連續(xù)波紋板式換熱器進行了水-水換熱實驗研究與分析。應用等流速法，對實驗數(shù)據(jù)進行了回歸，得到了傳熱及阻力準則式。實驗數(shù)據(jù)分析，由球凸面和球凹面構(gòu)成不連續(xù)波紋的新型換熱板，換熱性能優(yōu)于BR1型人字形換熱板，阻力特性明顯優(yōu)于目前常用的波紋傾角為60°的人字形板。分析球面波紋強化傳熱的機理，認為球面波紋能夠減小局部場協(xié)同角，提高了板間流場與溫度場的協(xié)同程度。
　　 以上研究與分析為該種新型板式換熱器的工程實際應用奠定