球面不連續(xù)波紋板式換熱器傳熱與流動(dòng)特性研究.pdf

1、換熱器是實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)之間熱量傳遞的通用設(shè)備，既是工藝過(guò)程裝置，也是余熱回收設(shè)備，廣泛應(yīng)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?fàn)顩r及水平與一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、社會(huì)的能源利用方式密切相關(guān)，同時(shí)也直接影響了能源的綜合利用效率。我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展階段，城市化進(jìn)程迅速，也必然伴隨著能源的大量消耗，這無(wú)疑給換熱器行業(yè)帶來(lái)巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
　　 目前，我國(guó)的能源利用效率約為3

2、3％，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還相對(duì)偏低。主要原因之一是約占我國(guó)能源消費(fèi)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(méi)有得到有效地回收和利用。與此同時(shí)，我國(guó)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(jìn)程而來(lái)的城市民用能源需求的大幅增加。近十年來(lái)，我國(guó)一直處于房屋建筑的高峰期，年施工面積增長(zhǎng)率約為12.8％～26.6％，有關(guān)城市建設(shè)的相關(guān)問(wèn)題隨之產(chǎn)生。比如，對(duì)于我國(guó)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(duì)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(yīng)也正在逐漸成為一種生活必須的能源消耗，這無(wú)疑對(duì)能源供給，以及現(xiàn)有的換熱設(shè)備與技術(shù)提出了新的要求。
　　 事實(shí)上，隨著人們對(duì)熱傳遞過(guò)程研究與應(yīng)用的認(rèn)識(shí)不斷深入，發(fā)現(xiàn)無(wú)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(guò)程。其中，既涉及冷卻、加熱過(guò)程

4、，亦或是多種介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)某一工作介質(zhì)的熱控制等。從某種意義上說(shuō)，發(fā)展多介質(zhì)換熱設(shè)備符合科學(xué)用能的觀點(diǎn)，無(wú)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(shí)，多介質(zhì)換熱設(shè)備還具有提升系統(tǒng)的緊湊程度，占地面積小，設(shè)備投入少，使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。
　　 板式換熱器是一種重要的通用設(shè)備，具有傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足較低溫差下的熱傳遞過(guò)程。在我國(guó)，板式換熱器的生產(chǎn)開(kāi)始于上世紀(jì)60年代，目

5、前在很多領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)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(dòng)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(diǎn)和難點(diǎn)。從1930年出現(xiàn)由薄金屬板壓制的波紋板片，實(shí)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(yīng)用最為廣泛，研究也最為深入。人字形板式換熱器在應(yīng)用表現(xiàn)出高效緊湊的顯著優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)表現(xiàn)出流動(dòng)阻力大的不足，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于此方面的研究，發(fā)展新的板型也成為當(dāng)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(guó)的生產(chǎn)已極為普遍，但與國(guó)際先進(jìn)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(fù)，或者是一種簡(jiǎn)單模仿。這種差距主要體現(xiàn)在板片厚度、板片波紋形式、設(shè)計(jì)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(shè)備，我國(guó)換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)一般只及發(fā)達(dá)國(guó)家同類設(shè)備20％～50％。一個(gè)主要原因就是相關(guān)的研究數(shù)據(jù)一直受到國(guó)外壟斷，自主研發(fā)還缺乏創(chuàng)新，缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的選型軟件等。與此同時(shí)，在強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究方面，盡管強(qiáng)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(yīng)用，但對(duì)強(qiáng)化傳熱效果的評(píng)價(jià)及強(qiáng)化傳熱作用的理論分析卻一直未能找到一種恰當(dāng)表達(dá)方式。因此，強(qiáng)化傳熱的研究和高效低耗的節(jié)能換熱設(shè)備研究還相

8、對(duì)的分散，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，高效節(jié)能換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化缺乏統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，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(píng)價(jià)指標(biāo)。認(rèn)為傳統(tǒng)的換熱器評(píng)價(jià)指標(biāo)的共同特點(diǎn)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(lái)評(píng)判對(duì)流換熱過(guò)程的優(yōu)劣，但對(duì)于傳熱過(guò)程的優(yōu)化卻沒(méi)有一個(gè)清晰的表達(dá)，很難用于換熱設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)。并且，傳統(tǒng)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)更多的是憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，往往是換熱得

9、到強(qiáng)化的同時(shí)，流動(dòng)阻力增加更為明顯，并不節(jié)能。此外，熱力學(xué)第二定律作為一種重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，考慮了由流動(dòng)和傳熱過(guò)程中引起不可逆耗散為目標(biāo)函數(shù)，形成了熵產(chǎn)最小化方法，為換熱設(shè)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(guò)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(biāo)函數(shù)進(jìn)行換熱器的優(yōu)化和換熱器的性能評(píng)價(jià)，仍存在不完善的地方。
　　 鑒于以上的換熱設(shè)備性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化理論的有關(guān)情況，對(duì)過(guò)增元教授提出的傳熱強(qiáng)化的場(chǎng)協(xié)

10、同原理及其在換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。通過(guò)從單項(xiàng)對(duì)流換熱的機(jī)理，到對(duì)流換熱的場(chǎng)協(xié)同理論在換熱設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用完整的介紹和分析，認(rèn)為場(chǎng)協(xié)同理論不僅能夠?qū)σ延械膫鹘y(tǒng)強(qiáng)化傳熱理論有一個(gè)統(tǒng)一的解釋，而且能夠?yàn)閷?duì)流換熱的強(qiáng)化研究提供新的思路，為高效節(jié)能的傳熱強(qiáng)化新技術(shù)的研究提供理論基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)在場(chǎng)協(xié)同理論的指導(dǎo)下，研發(fā)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，在某些條件下實(shí)現(xiàn)了傳熱增加的倍率大于阻力增加的倍率。同時(shí)，筆者認(rèn)為，場(chǎng)協(xié)同理論的建立為后續(xù)研究留下了空

11、間，對(duì)于更復(fù)雜也更重要的換熱設(shè)備和換熱系統(tǒng)中的場(chǎng)協(xié)同理論有待于進(jìn)一步的拓展。盡管場(chǎng)協(xié)同理論為開(kāi)發(fā)新的換熱設(shè)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(shè)備的優(yōu)化提供可量化的目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為此，進(jìn)一步討論和分析了過(guò)增元教授在場(chǎng)協(xié)同理論基礎(chǔ)上提出的火積耗散理論，認(rèn)為火積耗散理論不僅能夠在一定范圍內(nèi)證明場(chǎng)協(xié)同理論的正確性，而在評(píng)價(jià)換熱性能及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有重要的價(jià)值，對(duì)其在多介質(zhì)板式換熱器性能分析中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)分析，對(duì)指導(dǎo)該

12、類換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　 本文以在國(guó)際大科學(xué)工程阿爾法磁譜儀(AMS)項(xiàng)目中提出并得到很好應(yīng)用的新型多介質(zhì)換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，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(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，并以單對(duì)球凸面和單對(duì)球凹面的矩形通道進(jìn)行了數(shù)值分析，驗(yàn)證了其迎風(fēng)面能夠減小局部場(chǎng)協(xié)同角的作用。介紹了球面不連續(xù)波的相關(guān)設(shè)計(jì)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(duì)，

13、頂點(diǎn)接觸構(gòu)成有效的支撐點(diǎn)；換熱板的外形為正六邊形，板片的六個(gè)頂角布置了三對(duì)進(jìn)出口，能夠滿足兩種介質(zhì)或三種介質(zhì)同時(shí)換熱。該種新型的換熱板的六個(gè)端口的球凸面與球凹面均勻布置，力求避免由于端口設(shè)計(jì)不合理帶來(lái)的流場(chǎng)分布不均現(xiàn)象的產(chǎn)生。
　　 在對(duì)球面不連續(xù)波紋的正六邊形板式換熱器進(jìn)行兩流體換熱和三流體換熱的數(shù)值模擬過(guò)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(jìn)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(zhǔn)則式和摩擦系數(shù)準(zhǔn)則式。通過(guò)對(duì)換熱器內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)圖形分析，認(rèn)為板間流道的流動(dòng)均勻，無(wú)流動(dòng)死區(qū)，端口流場(chǎng)分布合理；不連續(xù)球面波紋起到了強(qiáng)化了傳熱的作用，同時(shí)具有較好的阻力性能。在球凸的迎風(fēng)面和球凹的迎風(fēng)面呈現(xiàn)傳熱得到強(qiáng)化的表現(xiàn)，并且其作用在相鄰流道實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。
　　 對(duì)于多介質(zhì)換熱設(shè)備而言，流道排列形式相對(duì)于兩介質(zhì)換熱而言要復(fù)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(duì)兩介質(zhì)換熱過(guò)程提出的火積耗散數(shù)的概念，發(fā)展為應(yīng)用于多介質(zhì)換熱的火積耗散數(shù)，并進(jìn)行了流道排列方式的初步研究。分析認(rèn)為對(duì)于多介質(zhì)換熱過(guò)程，流道的布置對(duì)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(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)球面不連續(xù)波紋板式換熱器進(jìn)行了水-水換熱實(shí)驗(yàn)研究與分析。應(yīng)用等流速法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸，得到了傳熱及阻力準(zhǔn)則式。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化傳熱的機(jī)理，認(rèn)為球面波紋能夠減小局部場(chǎng)協(xié)同角，提高了板間流場(chǎng)與溫度場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用奠定