板翅式换热器的研究与应用进展.pdf
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1、板翅式换热器的研究与应用进展板翅式换热器的研究与应用进展 原作者:凌祥涂善东陆卫权 出处: 【关键词关键词】板翅式换热器,研制,应用,发展趋势 【论文摘要论文摘要】简述了板翅式换热器在设计理论如表面特性及选择、传热和流动分析、计算机辅助 工程、结构设计等方面的研究成果。分析讨论了板翅式换热器在制造工艺如真空钎焊工艺、高热 流密度的换热表面技术、 钛和不锈钢换热器的钎焊工艺等方面的新进展和存在的问题。 指出板翅 式换热器的技术发展趋势是:耐高压、高温和耐腐蚀新材料的应用,扩散熔合焊和超塑性成型等 先进制造工艺的研究,多相流传热机理及基于 CFD 技术的设计新方法的研究等。 早在 1930 年英国
2、马尔斯顿*艾克歇尔瑟公司就用铜合金浸渍钎焊方法制成航空发动机散热 用板翅式换热器。经过 70 年的发展,目前板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的的换热设 备,已在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广 泛应用,并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济 效益。近年来,板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾, 特 别是一些新技术的渗透,使其应用范围更加广泛,进入了一个新的发展时期。 板翅式换热器设计理论板翅式换热器设计理论 1.1.表面特性及选择表面特性及选择 板翅式换热器中的传热过程主要是通过
3、翅片来完成的。美国斯坦福大学的 Kays 和 London 等人对紧凑表面进行了较系统的实验研究,总结出 40 多种翅片 形状的板翅式换热器传热和阻力关联式。Shah 对平直翅片的研究表明,宽高比 较大的矩形通道流道品质(j/f)优于三角形(正弦形)通道。Joshi 和 Webb 对 锯齿翅片的表面特性进行了研究,提出了一系列关联式。锯齿翅片传热特性随切 开长度而变化 1,切开长度越短,传热性能越好,但压降也增加。Goldstein 和 Sparrow 应用传质模拟方法对波纹翅片进行了试验研究,发现对低 Re 层流(25%, Re=1000),波纹翅片引起传热强化很少,而对低 Re 湍流具有明
4、显的强化效果 (200%,Re=600800)。多孔翅片亦属于高效翅片,Shah 通过多种多孔翅片表 面传热、压降和流动特性试验,提出了一些可供设计参考的结论。 总之,可供使用的多种翅形 j 因子和 f 因子数据已有不少,但可供设计计算 使用的拟合关联式却很有限。因此,应用计算流体力学(Computational fluid dynamics,简称 CFD)、流动可视化技术和模拟测试来研究翅片流动和传热的本 质,并建立 j 因子和 f 因子数据库将是今后十分重要的工作。 表面选择一般可从定性分析和定量分析来考虑, 定量分析方法基本上可分为 筛法和性能比较法,性能比较法适用于管翅式换热器,而筛法
5、则用于板翅式换热 器。筛法每次只考虑流体一侧,在给定压降时,根据最小迎风面和最小换热面积 (或体积)来选择最佳表面。 2.2.传热和流动分析传热和流动分析 板翅式换热器传热分析一般采用传热单元数法(-Ntu),该法为便于手工 计算,作了一些理想化的假设,这些假设条件有时会对换热器的设计产生显著影 响,因此必须考虑进行修正。如传热计算中确定流体物性的单一温度值,在冷端 温降不是很大的情况下,可用平均温度计算物性 2。但若流体物性变化很大, 则应将换热器按能量平衡分成几部分,假定各部分内的物性为一常数。温度对 j 和 f 的影响有时也需考虑,如 j 和 f 试验数据通常在常温下获得,用于高温下 时
6、就要修正,文献2应用物性比法计入了流体物性随温度变化对 j 或 Ntu 和 f 的影响。 物流不均匀会引起板翅式换热器性能显著下降, 特别是 Ntu 大的板翅式换热 器尤甚。简单的总管分配不均匀性分析可通过解析方法完成,如两股流板翅式换 热器 3。复杂的只有通过数值计算方法来分析传热过程,如 Chiou 研究了两种 情况下流量分配不均匀性对单程错流换热器热工性能的影响。 对通道间物流分配 不均匀的研究,London 采用单通道模型对低 Re 层流状态下的情况进行了理论分 析。后来又将该理论分析推广于 N 通道模型分析 4。Weimer 等就不均匀流体分 配对多股流多通道换热器性能影响进行了研究
7、。对于两相流问题,不均匀分配问 题显得尤为突出 57,物流的不均匀分配使得板翅式换热器严重偏离设计工况。 综观国内外学者的研究,较多是定性的,离设计应用仍有很大距离,因此物流不 均匀性问题仍是中外学者研究的一个重要方向。 多股流板翅式换热器目前研究的重点在通道分配及通道排列问题上, 对于这 方面的研究还不充分, 从来没有形成一个较为一致的原则来指导设计通道分配及 通道排列。因此,对多股流换热的物理模型和计算方法等还有待于进一步研究。 板翅式换热器表面可以在沸腾与冷凝的工况下提供很大的换热系数, 但相对 于单相流的传热和流动,两相流传热机理研究还很不够,目前公开发表的关于板 翅式表面在相变和两相
8、流方面的文献还较多局限于空分设备领域中 8,9。由于板 翅式换热器中沸腾和冷凝的性能数据非常有限, 因此还无法提供用于设计的通用 综合关系式,也不能提供对圆管公式的修正方法。 从上面评述的几个问题不难看出, 板翅式换热器内流体流动与传热规律是十 分复杂的, 仅掌握经验关联式并不能最终达到开发新的传热表面和精确设计的目 的。解决上述问题,完全通过实验研究虽然可行,但费用高,周期长。因此, 近 年来国内外重点加强了设计制造方法学的研究, 提出通过“数值试验”计算 流体力学(CFD)模拟计算,来评价、选择和优化设计方案,从而大幅度地减少 实验室和实体试验研究工作量。 应用计算流体力学进行换热器模拟最
9、早由 Patankar 在 1972 年提出。80 年 代核电厂换热设备向大型化、高参数化的发展,促进了这方面的研究,多种通用 的大型计算软件,如 CFD2000、PHOENICS 等已经商品化,使复杂的流场分析得以 实现。国外利用 PHOENICS 和 FLOW3D 等大型通用流场软件在模拟蒸汽发生器、 冷 却塔及电站冷凝器方面进行了一些分析工作;国内郑州工业大学 10用 PHOENICS 对管壳式换热器流场进行模拟研究,也取得了阶段性成果。应用 CFD 研究板翅式 换热器虽然还少有人问津,但笔者认为,应用 CFD 分析揭示板翅式换热器传热机 理和进行优化设计将是今后研究的重点内容, 考虑到
10、我国板翅式换热器开发和试 验经费还相对缺乏的具体情况,CFD 的应用研究更具有特别重要意义。 3.3.计算机辅助工程(计算机辅助工程(CAECAE) 由于板翅式换热器的设计公式较为复杂,通道设计十分困难,手算过程十分 费时且易出现人为的误差,另外还必须忽略许多二阶量的影响以便简化计算, 因 此板翅式换热器经常弃置不用, 工程技术人员通常选用低效但相对简单的管壳式 换热器来取代 11。近年来随着计算机辅助工程技术(Computer Aided Engineering)的发展,应用计算机模拟技术对换热器稳态和瞬态进行性能模拟 已成为可能,这将解决多年来一直困扰设计人员的手工热力计算的难题。 Sha
11、h 首先对紧凑式换热器的计算机辅助热工计算进行了讨论。英国传热服 务公司(HTFS)、美国 ALTEC 公司和 SW 公司等都曾推出专用商业软件。国内, 笔者于 1995 年正式推出了板翅式换热器的计算机辅助设计 (PFECAD) 软件包 12 , 部分厂家的使用结果表明,可提高设计效率 810 倍,大大减少了过去设计、 绘 图文件生成中的人为错误,使产品的设计周期大为缩短。与国外软件相比,除了 热工计算外, 国内还具有物性计算模块和用 C 语言开发的基于 AutoCAD 系统计算 机绘图模块。 一个高水平的计算机辅助设计程序还应兼备优化程序,Shah 等详细讨论了 各种优化技术,并阐述了实现
12、换热器设计优化的方法。到目前为止,即使有了计 算机程序,换热器设计仍然是一门艺术,当不能满足所有约束条件时,或当发现 优化解对有关变量的敏感性时,设计者必须依靠经验作出决策,因此今后还必须 加强人工智能化的优化技术研究。 4.4.结构设计结构设计 交变载荷下工作的板翅式换热器,会因疲劳而使隔板产生裂纹,发生泄漏, 因此疲劳破坏在结构设计中必须考虑。 目前板翅式换热器动态特性的研究仍是空 白,文献13获得的一些定性结论是:控制翅片与翅片、封条间叠装间隙, 在 相邻流道间采用翅片断面错列接缝等措施来防止隔板因疲劳产生裂纹, 同时将承 受交变载荷的流道不布置在最外侧或在最外侧布置 12 层以改善其受
13、力状况。 另外,还采取将封头和板束焊接加衬圈、开焊接坡口和焊加强板等措施来减小压 力,提高产品制造质量和使用寿命。 板翅式换热器制造工艺进展板翅式换热器制造工艺进展 1.1.真空钎焊工艺真空钎焊工艺 真空钎焊工艺已被世界各国的板翅式换热器生产厂家所接受, 并已取代了原来的盐浴浸渍老 工艺。目前世界上真空钎焊设备的主要供应商是英国康萨克(CONSARC)公司、日本真空技术株 式会社、美国伊普森(IPSEN)公司以及国内的兰州真空设备厂,他们的产品性能比较可参见文 献13,14。我国板翅式换热器真空钎焊工艺应用时间虽短,但发展迅速 13,15,目前应用大 型真空钎焊炉生产的最大工件尺寸已达 120
14、0mm1200mm6000mm,最高设计压力可达 8.0MPa, 流体股数最多达 12 股。 2.2.高热流密度的换热表面技术高热流密度的换热表面技术 目前对于高热流密度的换热表面的开发研究也很活跃, 美国空气研究公司报道, 已开发出一 种错位片条翅片,其翅片密度为 1451 片/m,传热面积率高达 5650m 2/m3。美国 3M 公司已有紧 密度为 40008600 片/m 的翅片, 水力直径 Dh仅为 0.1mm, 并曾在试验中获得 2MW/m 2的热流密度。 德国卡而斯鲁厄核研究中心与梅塞德斯密特-布尔柯-布洛姆(MBB)公司也宣称开发出=15000 m 2/m3的微型换热器。 3.3
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