板式换热器通道中热传递选定相关方程的实验验证

摘要

本研究致力于选定的钎焊板式换热器的实验研究。通过威尔逊标绘法来估算板式换热器通路的热传递系数。本论文主要目的是通过对比实验获得数据和适当的预测，检验文献中发表的几种预测传热系数方法的准确性。实验结果显示，亨森和迪图斯贝尔的统计低估了板式换热器热传递系数的数量级。阿斯彭板法则将热传递系数高估了50%，穆雷-芒里克的相关研究将热传递系数高估了1%-5%，此值的大小取决于冷流体和热流体的位置及雷诺数的大小。

关键词：板式换热器；威尔逊法；相关性

术语

A——热传递面积，㎡

c——比热，kJ/(kg K)

C——威尔逊标绘法常数

d——直径，m

G——板宽，m

Gz——格雷兹数

k——总热传递数，W/（㎡K）

L——板高，m

——质量流量。kg/s

n——威尔逊标绘法指数

N——板数

Nu——努塞尔特数

Pr——普朗特数

——热流速，W

Re——雷诺数

s——板间距离，m

t——温度，℃

——体积流率，msup3;/s

w——速率，m/s

希腊符号

alpha;——热传递系数，W/(m2K)

beta;——波纹角度，°

delta;——板厚度，m

lambda;——导热系数，W/(mK)

rho;——密度，kg/m3

eta;——动态黏度，m Pa s

t ——温差K

下标

1——热流体

2——冷流体

，——入口

”——出口

exp——实验的

h——液压的

log——对数的

pl——板子

w——墙

1.引言

板式换热器是一种拥有许多优点和特殊应用的紧凑型换热器。其优点包括：灵活的热分级，易于清洁和保持干净，由于它们的纯逆流技术，更容易达到稳定温度，有较高的热交换效率

钎焊板式换热器由一些紧密压在一起的板子组成，从设计上完全没有使用垫片、底架和螺栓。而是通过真空下与铜的钎焊紧密连接在一起的，这样造就了这结构简单紧凑，重量轻便的换热器。波纹状的钎焊，没有垫片连接的板子，使得板子之间的两部分流体直接穿过交替管道，这种设计极大的减少了运输和安装成本。

除了上述部分，钎焊板式换热器还有很高的强度与耐久性，这是由于除了板子外围被密封外，内部每个单元的几千个触点也被紧密钎焊在一起，这使得它比用垫片连接的单元能产生更高的压力和温度。钎焊换热器的工作温度在-195℃到350℃之间，最大工作压力为4.5MPa^[1]。然而，现在的新测试方法允许钎焊单元在6MPa压力下工作^[2,3]。最近板式换热器在固体氧化物燃料电池高温电力系统中得到了广泛的应用^[4]。

板式换热器的热液性能受其所安装板式填料中板面温度规律的影响很大。传热板通常是通过在薄金属板表面冲压特殊设计的波纹来产生的，板式换热器可以用任何能压制、冷成型或焊接的金属合金制造。

当板子叠合在一起的时候，连接板形成中断的流道，这些波纹间的流道促进了增强对流传热系数和降低污染特征。波纹还增加了传热的有效表面积和板材的刚度，相邻板材之间的多个金属对金属的连接触点对板子的堆叠提供了更大的机械支持。

板式换热器的热工水力设计与其他换热器设计的一般方法基本相似。主要的设计考虑可能包括：

工艺/设计或问题说明；

热和水力设计；

机械/结构设计，操作和维护约束；

制作考虑和成本；

权衡因素和基于系统的优化。

板式换热器的传热特性在过去的实验研究中得到了广泛的应用。不同的人字形换热器和洗板式换热器的相关参数已经发表^[5-8]。然而，只有将努塞尔数和摩擦压降等所有必要的细节关联起来，板式换热器的特性才能在工业应用中得到充分的利用。虽然文献中有几种单相传热关联式^[6,9-10]，缺乏数据仍然是其在工业应用中的一个阻碍。

本研究的重点是对选定类型的钎焊板式换热器的实验研究。采用威尔逊标绘法对换热器通道的传热系数进行了估算。本文的主要目的是通过实验验证和比较豪森^[11]，迪图斯-贝尔特^[11]和穆雷-芒里克^[5]等具有适当预测的传热系数。此外，商业阿彭斯板规则用于确认换热器通道内的传热系数^[12]。

2.实验仪器与程序

2.1 试验装置

试验台-如图1所示，由四个系统组成：板式换热器，加热水回路，冷却水回路及数据采集系统。通过对精度plusmn;0，15%实际流量的MASS2100型设备采用科氏质量流量计对加热水流量进行了测量。冷却水流量由调节阀控制，采用精度plusmn;0，25%的丹佛斯MAG1100流量计进行测量。板式换热器进、出口加热和冷却水平均温度的测量是使用精度plusmn;0.1%的PT100电阻测温装置。冷却水和加热水的压降采用了精度为plusmn;0.3%的NPXD1型的压力传感器测量。冷水和热水的体积流量在0.6msup3;/h到1msup3;/h之间变化。冷水和热水的温度分别在40℃到64℃和48摄氏度到72℃之间变化。

图1：实验装置

1-板式换热器；2，3，4，5-热电偶；6，7，8，9-压力传感器；10，11-电磁流量计；12，13，14，15水泵；16-套量规；17-热水箱；18-冷水箱19-冷却器；20-供暖系统；21-逆变阻器；T-热电偶；P-压力传感器

2.2 被测板式换热器

实验对使用铜焊的类型为不锈钢和雪佛龙角beta;为61°构成的商业雪佛龙LA22-20板式换热器^[13]，板块的尺寸特征是0.08times;0.3times;0.0003米，板间距为0.002米。所试验板式换热器的表面积为A=0.418㎡，各板子的表面放大系数为1.117.安装好的板子提供如图2所示的逆流布置的两种流体流。

图2 板式换热器

2.3 威尔逊标绘法

为了估算壁分离流体两侧的传热系数，需要安装热电偶来测量壁分离流体的温度。如果调理器有一个复杂的几何形状或在目前的研究中是设计为一组板，其中都是密闭的，那么准确测量壁温就面临很大的困难。在这种情况下，传热系数可以采用威尔逊标绘法进行预测^[14]，该方法可以广泛应用于不同类型的换热器^[15-17]。经典的威尔逊标绘法，以及它的改进版，只需要测定在高温下的总电阻，从而在测量换热器进出口平均温度以及流体交换热量的基础上实现精确的能量平衡。

假设总传热系数已知，并由式中的能量平衡确定：

= , (2.1)

热流率:

=()==() . (2.2)

对数平均温差计算为:

= , (2.3)

质量流量为:

=,=. (2.4)

传热系数=const.,=var可以这样计算:

=const.,= (2.5)

和传热系数在冷水和热水相关质量流率，以及相对应的冷水速度和系数取决于对流换热状态。通道内湍流情况n=0.8，且=var.,=const的情况下，传热系数可以计算为

=，=const (2.6)

利用最小二乘法的线性回归方法确定常数和，其中考虑实验点与回归线垂直距离的平方，求出平方的最小值。对常数和的使用使我们能够在同样的一些列研究中确定一个传热值系数以及一系列的传热系数值.相关系数的最小值为0.89514。

2.4传热系数计算方法

在参考文献中，提出了计算板式换热器通道平均传热系数的两种关联式：

豪森关联式:

Nu=3.66＋ (2.7)

其中格雷兹数定义为：

Gz=RePr (2.8)

迪图斯贝尔关列列式:

Nu=0.023P ， (2.9)

式中流体加热的指数n=0.4，流体冷却的指数n=0.3。

在本文中，穆雷-芒里克关系式^[5]为：

Nu=CP ， （2.10）

另

C(beta;)=0.2668-0.006967beta; 7.244times; （2.11）

测试之后，beta;表示雪佛龙角。雷诺数计算为

Re= （2.12）

水力直径,即板间距离。板式换热器的通道读取的平均速度为：

w= (2.13)

其中Nz为冷热通道数。

3 结果与讨论

当=var，图3为热水通道平均传热系数对比图，由图3可知，豪森关联式和迪图斯-鲍特尔关联式显著低估了平均传热系数的值，而阿斯彭板规则高估了大约50%的传热系数。只有穆雷-芒里克相关式可以较好的预测传热系数。预测结果与威尔逊标绘法的实验结果的差异不超过10%。

图4依次为var,情况下冷水通道平均传热系数的比较。与热水侧相似，豪森和迪图斯-鲍特尔关联式显著低估了平均传热系数的值，甚至低估了一个数量级，而商用阿斯彭板规则高估了大约10%的传热系数。同样的，只有穆雷-芒里克相关式可以较好地预测传热系数，预测结果与实验结果地差异不超过30%。

图3 热水侧换热系数

▲-Eq.(7),x-Eq.(9),*-Eq.(10),◆-阿斯彭板规则，■-威尔逊标绘法

4.结论

研究表明，合理选择冷热通道换热系数的相关估算方程对板式换热器的正确选择至关重要，具体来讲：

·在计算板式换热器的传热系数时，不建议使用豪森和迪图斯-鲍尔特关联式，有必要注意的是，豪森和迪图斯-鲍尔特关联式最初是在光滑直管中强制对流而发展起来的。对于具有不同截面的管道，可以使用等效（水力）直径来进行这两种关联。然而，由于波纹产生的强烈的局部湍流加强了板件小通道的传热。因此，这两种相关性都大大低估了瓦楞纸板之间的传热系数的数值。

·目前的数据表明，为了准确估算板式换热器通道的传热系数，需要应有专门针对这种复杂几何形状的相关方程。需要注意的是，这种相关方程应该包含板的几何形状细节，如人字形或波磨角，波磨深度，平均通道间距或波磨节距。

·威尔逊标绘法在板式换热器的检测中是一种可靠的方法。

图3：冷水侧换热系数

▲-Eq.(7),x-Eq.(9),*-Eq.(10),◆-阿斯彭板规则，■-威尔逊标绘法

5.参考文献

[1] Wang L., Sunden B. and Manglik R.M.: Plate Heat Exchangers: Design, Applications and Performance. WIT Press, Southampton 2007.

[2] Alfa Laval, Product Catalogue, Sweden (http://www.alfalaval.com).

[3] SWEP International, Product Catalogue, Sweden (http://www.swep.net).

[4] Motyliński K., Kupecki J.: Modeling the dynamic operation of a small fin plate

heat exchanger – parametric analysis. Arch. Thermodyn. 36(2015), 3, 85–103,2083-

6023. DOI: 10.1515/aoter-2015-0023

[5] Mulley A., Manglik R.M.: Enhanced thermal-hydraulic performance optimization of chevron plate heat exchangers. Int. J. Heat Exchangers 1(2000), 3–18.

[6] Khan T.S.

资料编号：[3305]