板翅式換熱器的研究與應用進展

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板翅式換熱器的研究與應用進展簡介
     摘要  簡述了板翅式換熱器在設計理論如表面特性及選擇、傳熱和流動分析、計算機輔助工程、結構設計等方面的研究成果。分析討論了板翅式換熱器在製造工藝如真空……
板翅式換熱器的研究與應用進展正文
    

 摘要 

簡述了板翅式換熱器在設計理論如表面特性及選擇、傳熱和流動分析、計算機輔助工程、結構設計等方面的研究成果。分析討論了板翅式換熱器在製造工藝如真空釺焊工藝、高熱流密度的換熱表面技術、鈦和不鏽鋼換熱器的釺焊工藝等方面的新進展和存在的問題。指出板翅式換熱器的技術發展趨勢是:耐高壓、高溫和耐腐蝕新材料的應用,擴散熔合焊和超塑性成型等先進位造工藝的研究,多相流傳熱機理及基於CFD技術的設計新方法的研究等。

主題詞 板翅式換熱器 研製 應用 發展趨勢


早在1930年英國馬爾斯頓*艾克歇爾瑟公司就用銅合金浸漬釺焊方法製成航空發動機散熱用板翅式換熱器。經過70年的發展,目前板翅式換熱器作為一種高效、緊湊、輕巧的的換熱設備,已在石油化工、航空航天、電子、原子能、武器工業、冶金、動力工程和機械等領域得到廣泛應用,並在利用熱能、回收餘熱、節約原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了顯著的經濟效益。近年來,板翅式換熱器的設計理論、試驗研究、製造工藝、開拓應用的研究方興未艾,特別是一些新技術的滲透,使其應用範圍更加廣泛,進入了一個新的發展時期。


板翅式換熱器設計理論



1.表面特性及選擇

板翅式換熱器中的傳熱過程主要是通過翅片來完成的。美國斯坦福大學的Kays和London等人對緊湊表面進行了較系統的實驗研究,總結出40多種翅片形狀的板翅式換熱器傳熱和阻力關聯式。Shah對平直翅片的研究表明,寬高比較大的矩形通道流道品質(j/f)優於三角形(正弦形)通道。Joshi和Webb對鋸齒翅片的表面特性進行了研究,提出了一系列關聯式。鋸齒翅片傳熱特性隨切開長度而變化[1],切開長度越短,傳熱性能越好,但壓降也增加。Goldstein 和Sparrow應用傳質模擬方法對波紋翅片進行了試驗研究,發現對低Re層流(25%, Re=1000),波紋翅片引起傳熱強化很少,而對低Re湍流具有明顯的強化效果(200%,Re=600~800)。多孔翅片亦屬於高效翅片,Shah通過多種多孔翅片表面傳熱、壓降和流動特性試驗,提出了一些可供設計參考的結論。

總之,可供使用的多種翅形j因子和f因子數據已有不少,但可供設計計算使用的擬合關聯式卻很有限。因此,應用計算流體力學(Computational fluid dynamics,簡稱CFD)、流動可視化技術和模擬測試來研究翅片流動和傳熱的本質,並建立j因子和f因子資料庫將是今後十分重要的工作。

表面選擇一般可從定性分析和定量分析來考慮,定量分析方法基本上可分為篩法和性能比較法,性能比較法適用於管翅式換熱器,而篩法則用於板翅式換熱器。篩法每次只考慮流體一側,在給定壓降時,根據最小迎風面和最小換熱面積(或體積)來選擇最佳表面。

2.傳熱和流動分析

板翅式換熱器傳熱分析一般採用傳熱單元數法(ε-Ntu),該法為便於手工計算,作了一些理想化的假設,這些假設條件有時會對換熱器的設計產生顯著影響,因此必須考慮進行修正。如傳熱計算中確定流體物性的單一溫度值,在冷端溫降不是很大的情況下,可用平均溫度計算物性[2]。但若流體物性變化很大,則應將換熱器按能量平衡分成幾部分,假定各部分內的物性為一常數。溫度對j和f的影響有時也需考慮,如 j和f試驗數據通常在常溫下獲得,用於高溫下時就要修正,文獻[2]應用物性比法計入了流體物性隨溫度變化對j或Ntu和f的影響。

物流不均勻會引起板翅式換熱器性能顯著下降,特別是Ntu大的板翅式換熱器尤甚。簡單的總管分配不均勻性分析可通過解析方法完成,如兩股流板翅式換熱器[3]。複雜的只有通過數值計算方法來分析傳熱過程,如Chiou研究了兩種情況下流量分配不均勻性對單程錯流換熱器熱工性能的影響。對通道間物流分配不均勻的研究,London採用單通道模型對低Re層流狀態下的情況進行了理論分析。後來又將該理論分析推廣於N通道模型分析[4]。Weimer等就不均勻流體分配對多股流多通道換熱器性能影響進行了研究。對於兩相流問題,不均勻分配問題顯得尤為突出[5~7],物流的不均勻分配使得板翅式換熱器嚴重偏離設計工況。綜觀國內外學者的研究,較多是定性的,離設計應用仍有很大距離,因此物流不均勻性問題仍是中外學者研究的一個重要方向。

多股流板翅式換熱器目前研究的重點在通道分配及通道排列問題上,對於這方面的研究還不充分,從來沒有形成一個較為一致的原則來指導設計通道分配及通道排列。因此,對多股流換熱的物理模型和計算方法等還有待於進一步研究。

板翅式換熱器表面可以在沸騰與冷凝的工況下提供很大的換熱係數,但相對於單相流的傳熱和流動,兩相流傳熱機理研究還很不夠,目前公開發表的關於板翅式表面在相變和兩相流方面的文獻還較多局限於空分設備領域中[8,9]。由於板翅式換熱器中沸騰和冷凝的性能數據非常有限,因此還無法提供用於設計的通用綜合關係式,也不能提供對圓管公式的修正方法。

從上面評述的幾個問題不難看出,板翅式換熱器內流體流動與傳熱規律是十分複雜的,僅掌握經驗關聯式並不能最終達到開發新的傳熱表面和精確設計的目的。解決上述問題,完全通過實驗研究雖然可行,但費用高,周期長。因此,近年來國內外重點加強了設計製造方法學的研究,提出通過「數值試驗」——計算流體力學(CFD)模擬計算,來評價、選擇和優化設計方案,從而大幅度地減少實驗室和實體試驗研究工作量。

應用計算流體力學進行換熱器模擬最早由Patankar在1972年提出。80年代核電廠換熱設備向大型化、高參數化的發展,促進了這方面的研究,多種通用的大型計算軟體,如CFD2000、PHOENICS等已經商品化,使複雜的流場分析得以實現。國外利用PHOENICS和FLOW3D等大型通用流場軟體在模擬蒸汽發生器、冷卻塔及電站冷凝器方面進行了一些分析工作;國內鄭州工業大學[10]用PHOENICS對管殼式換熱器流場進行模擬研究,也取得了階段性成果。應用CFD研究板翅式換熱器雖然還少有人問津,但筆者認為,應用CFD分析揭示板翅式換熱器傳熱機理和進行優化設計將是今後研究的重點內容,考慮到我國板翅式換熱器開發和試驗經費還相對缺乏的具體情況,CFD的應用研究更具有特別重要意義。

3.計算機輔助工程(CAE)

由於板翅式換熱器的設計公式較為複雜,通道設計十分困難,手算過程十分費時且易出現人為的誤差,另外還必須忽略許多二階量的影響以便簡化計算,因此板翅式換熱器經常棄置不用,工程技術人員通常選用低效但相對簡單的管殼式換熱器來取代[11]。近年來隨著計算機輔助工程技術(Computer Aided Engineering)的發展,應用計算機模擬技術對換熱器穩態和瞬態進行性能模擬已成為可能,這將解決多年來一直困擾設計人員的手工熱力計算的難題。

Shah首先對緊湊式換熱器的計算機輔助熱工計算進行了討論。英國傳熱服務公司(HTFS)、美國ALTEC公司和SW公司等都曾推出專用商業軟體。國內,筆者於1995年正式推出了板翅式換熱器的計算機輔助設計(PFECAD)軟體包


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