论文部分内容阅读
摘 要：传热板片是板式换热器的关键元件。现通过数值模拟软件Fluent，以换热器单位时间的换热量除以烟气侧压力损失的1/3次方作为综合性能指标，对板片的几何参数进行了优化设计。研究结果表明，椭圆形截面板式换热器，板束与板束的间距h=16.5 mm，长轴a=30 mm，短轴b=12 mm，空气进口流速设置为6 m/s时，综合性能指标能够取到更优值，达到优化目的。
关键词：板式换热器;结构优化;数值模拟
0 引言
热交换器是一种将热量从一种介质传递到另一种介质的装置，广泛用于石油、化工、能源、食品和其他行业[1]。其根据传热表面形态可分为管式换热器、板式换热器、夹套式换热器和特种换热器。板式换热器以其优良的传热系数和紧凑的结构在工业领域中得到了广泛应用。
板式换热器的结构可分为两部分：一部分是框架结构，主要用于支撑整体结构;另一部分是金属板片，用作传热的关键部件。板片是由薄板用研磨工具压制出波纹，薄板片的4个角开有角孔和密封垫片，用于介质的流道，起到减少液体向外泄漏和换热液体相互内漏的作用。当板式换热器正常工作时，密封垫片按工艺流程进行组合密封并与传热板进行连接，两角孔互相连接，形成通道。相应通道内的传热物质在相近通道内朝着相反的方向运动，提高了热传递效率，加强了热辐射、对流换热的效果。按板片形式来划分，板式换热器主要包含人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片3个类型[2]。
现有的板片形状以人字形最多，已有文献也主要是对这一形式波纹的不同几何参数（如波纹的间距、高度、倾角等）对流动和换热的影响进行研究。但人字形板式换热器的阻力一般较大，往往成为限制其应用的主要因素。本文对一种椭圆形截面板式换热器的板片波纹形式进行设计，通过数值模拟软件Fluent对板片的几何参数进行优化设计，以达到换热量高、压力损失小的目的。
1 板式换热器数值模型
文献[3]设计了一种椭圆形截面板式换热器，该模型由若干块相同的平板叠加在一起，制作工艺上利用激光渗透焊接、充压，形成了椭圆形截面的循环通道，冷却水由该通道进入，板束与板束之间错位叠放，板束之间为烟气的波纹型通道，如图1所示。该板型结构紧凑，传热效率好，但并没有明确制订该板型的尺寸选择。
2 数值模拟及结构优化
椭圆形截面板式换热器中，设板束与板束的间距为h，冷却水进口椭圆长轴为a，短轴为b;设计板束长240 mm，宽400 mm。
板式换热器的换热性能主要包括换热量和烟气侧压力损失。
设换热量为Q[单位为kW/（m2·s）]，计算式为：
Q=c·ΔT·v·ρ
式中：c为烟气比热[J/（kg·℃）];ΔT为烟气进出口的温度差（℃）;v为烟气流速（m/s）;ρ为空气密度（kg/m3）。
设烟气侧压力损失为ΔP（单位为Pa），板式换热器综合性能指标为：
M=
2.1 板间距对性能的影响
设定长轴×通道数为30 mm×8，短轴16 mm，水速0.5 m/s，烟气流速5 m/s，入口温度130 ℃，计算不同板间距下的换热量和烟气侧压力损失，如图2所示。
可以看出，板间距越小，换热量越大，换热性能越好，但同时压力损失也随之增大。
计算综合性能指标，其变化趋势如图3所示。在间距取值为22 mm时，综合性能指标取到最大值。
2.2 长轴对性能的影响
设定短轴为16 mm，板间距为22 mm，其余边界条件同2.1，计算不同长轴时的换热量和烟气侧压力损失，如图4所示。
可以看出，长轴越小（通道数越多），换热量越大，但同时压力损失迅速增加。
计算综合性能指标，其变化趋势如图5所示。长轴越大（通道数越小），指标越好，但由于增加长轴时换热量下降，从而导致换热不足。因此，在实际设计中，选取长轴为30 mm，通道数为8。
2.3 短轴对性能的影响
设定长轴×通道数为30 mm×8，其余边界条件同2.1。按照2.1得到的短轴与板间距最佳比例16：22，计算不同短轴时的换热量和烟气侧压力损失，如图6所示。可以看出，短轴越小，换热量越大，同时压力损失也越小。
综合性能指标变化趋势如图7所示。理论上短轴越小，换热器综合性能越好，应在兼顾材料用量和造价成本的前提下，选取尽量小的短轴。
2.4 烟气流速对性能的影响
设定长轴×通道数为30 mm×8，短轴12 mm，板间距16.5 mm，其余边界条件同2.1。计算不同烟气流速下的换热量和烟气侧压力损失，如图8所示。
可以看出，随着烟气流速的增大，换热量增大，压力损失同时增加。
计算综合性能指标发现，烟气流速越大，换热器综合性能越好，变化趋势如图9所示。但过大的烟气流速可能会导致换热时间不足，烟气不能充分冷却，排烟温度过高，因此，选取烟气进口流速为6 m/s。
3 结论
本文利用Fluent软件对板式换热器进行了数值模拟计算，分析了板片结构参数及烟气流速对换热器性能的影响，得到具体结论如下：
（1）板间距越小，换热器单位时间的换热量越大，但压力损失也越大。对于特定的短轴，板间距存在最佳值，使得换热器综合性能指标最佳。
（2）长轴越大（通道数越少），换热器单位时间换热量越小，压差也越小，综合性能指标越大。但增加长轴时，单位时间换热量下降，从而导致换热不足。综合考虑，长轴×通道数选择为30 mm×8。
（3）固定短轴与板间距之比，短轴越小，换热器单位时间换热量越大，压力损失也越小，综合性能指标越大。选取短轴为12 mm，对应板间距为16.5 mm。
（4）烟气流速越大，换热器单位时间换热量越大，压力损失越大，综合性能指标也越大。但过大的烟气流速可能会导致换热时间不足，烟气不能充分冷却，排烟温度过高。因此，选取烟气进口流速为6 m/s。
[参考文献]
[1] 刘凯，付婷，曾良才，等.内置扰流柱的人字形板式换热器的数值模拟[J/OL].机械科学与技术.（2021-03-04）[2021-05-16].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/
detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=
JXKX20210302004&v=71l%25mmd2FrpOgPQchO0qhQTvhy4-
Nepk3xFytPHf8HX6UaD8OulWRoT0oo2WKOayenIBmp.
[2] 程晓峰，张耀，万兴.板式换热器的结构设计與优化[J].节能，2020，39（9）：81-84.
[3] 高秀晶，吴俐俊，梁辰光.新型板壳式低压省煤器与管翅式低压省煤器传热性能的对比研究[J].电力与能源，2014，35（3）：366-368.
收稿日期：2021-05-19
作者简介：王雪莹（2000—），女，江苏徐州人，研究方向：光电信息。
通信作者：徐迅（1983—），男，江苏南通人，副教授，研究方向：工程传热。
关键词：板式换热器;结构优化;数值模拟
0 引言
热交换器是一种将热量从一种介质传递到另一种介质的装置，广泛用于石油、化工、能源、食品和其他行业[1]。其根据传热表面形态可分为管式换热器、板式换热器、夹套式换热器和特种换热器。板式换热器以其优良的传热系数和紧凑的结构在工业领域中得到了广泛应用。
板式换热器的结构可分为两部分：一部分是框架结构，主要用于支撑整体结构;另一部分是金属板片，用作传热的关键部件。板片是由薄板用研磨工具压制出波纹，薄板片的4个角开有角孔和密封垫片，用于介质的流道，起到减少液体向外泄漏和换热液体相互内漏的作用。当板式换热器正常工作时，密封垫片按工艺流程进行组合密封并与传热板进行连接，两角孔互相连接，形成通道。相应通道内的传热物质在相近通道内朝着相反的方向运动，提高了热传递效率，加强了热辐射、对流换热的效果。按板片形式来划分，板式换热器主要包含人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片3个类型[2]。
现有的板片形状以人字形最多，已有文献也主要是对这一形式波纹的不同几何参数（如波纹的间距、高度、倾角等）对流动和换热的影响进行研究。但人字形板式换热器的阻力一般较大，往往成为限制其应用的主要因素。本文对一种椭圆形截面板式换热器的板片波纹形式进行设计，通过数值模拟软件Fluent对板片的几何参数进行优化设计，以达到换热量高、压力损失小的目的。
1 板式换热器数值模型
文献[3]设计了一种椭圆形截面板式换热器，该模型由若干块相同的平板叠加在一起，制作工艺上利用激光渗透焊接、充压，形成了椭圆形截面的循环通道，冷却水由该通道进入，板束与板束之间错位叠放，板束之间为烟气的波纹型通道，如图1所示。该板型结构紧凑，传热效率好，但并没有明确制订该板型的尺寸选择。
2 数值模拟及结构优化
椭圆形截面板式换热器中，设板束与板束的间距为h，冷却水进口椭圆长轴为a，短轴为b;设计板束长240 mm，宽400 mm。
板式换热器的换热性能主要包括换热量和烟气侧压力损失。
设换热量为Q[单位为kW/（m2·s）]，计算式为：
Q=c·ΔT·v·ρ
式中：c为烟气比热[J/（kg·℃）];ΔT为烟气进出口的温度差（℃）;v为烟气流速（m/s）;ρ为空气密度（kg/m3）。
设烟气侧压力损失为ΔP（单位为Pa），板式换热器综合性能指标为：
M=
2.1 板间距对性能的影响
设定长轴×通道数为30 mm×8，短轴16 mm，水速0.5 m/s，烟气流速5 m/s，入口温度130 ℃，计算不同板间距下的换热量和烟气侧压力损失，如图2所示。
可以看出，板间距越小，换热量越大，换热性能越好，但同时压力损失也随之增大。
计算综合性能指标，其变化趋势如图3所示。在间距取值为22 mm时，综合性能指标取到最大值。
2.2 长轴对性能的影响
设定短轴为16 mm，板间距为22 mm，其余边界条件同2.1，计算不同长轴时的换热量和烟气侧压力损失，如图4所示。
可以看出，长轴越小（通道数越多），换热量越大，但同时压力损失迅速增加。
计算综合性能指标，其变化趋势如图5所示。长轴越大（通道数越小），指标越好，但由于增加长轴时换热量下降，从而导致换热不足。因此，在实际设计中，选取长轴为30 mm，通道数为8。
2.3 短轴对性能的影响
设定长轴×通道数为30 mm×8，其余边界条件同2.1。按照2.1得到的短轴与板间距最佳比例16：22，计算不同短轴时的换热量和烟气侧压力损失，如图6所示。可以看出，短轴越小，换热量越大，同时压力损失也越小。
综合性能指标变化趋势如图7所示。理论上短轴越小，换热器综合性能越好，应在兼顾材料用量和造价成本的前提下，选取尽量小的短轴。
2.4 烟气流速对性能的影响
设定长轴×通道数为30 mm×8，短轴12 mm，板间距16.5 mm，其余边界条件同2.1。计算不同烟气流速下的换热量和烟气侧压力损失，如图8所示。
可以看出，随着烟气流速的增大，换热量增大，压力损失同时增加。
计算综合性能指标发现，烟气流速越大，换热器综合性能越好，变化趋势如图9所示。但过大的烟气流速可能会导致换热时间不足，烟气不能充分冷却，排烟温度过高，因此，选取烟气进口流速为6 m/s。
3 结论
本文利用Fluent软件对板式换热器进行了数值模拟计算，分析了板片结构参数及烟气流速对换热器性能的影响，得到具体结论如下：
（1）板间距越小，换热器单位时间的换热量越大，但压力损失也越大。对于特定的短轴，板间距存在最佳值，使得换热器综合性能指标最佳。
（2）长轴越大（通道数越少），换热器单位时间换热量越小，压差也越小，综合性能指标越大。但增加长轴时，单位时间换热量下降，从而导致换热不足。综合考虑，长轴×通道数选择为30 mm×8。
（3）固定短轴与板间距之比，短轴越小，换热器单位时间换热量越大，压力损失也越小，综合性能指标越大。选取短轴为12 mm，对应板间距为16.5 mm。
（4）烟气流速越大，换热器单位时间换热量越大，压力损失越大，综合性能指标也越大。但过大的烟气流速可能会导致换热时间不足，烟气不能充分冷却，排烟温度过高。因此，选取烟气进口流速为6 m/s。
[参考文献]
[1] 刘凯，付婷，曾良才，等.内置扰流柱的人字形板式换热器的数值模拟[J/OL].机械科学与技术.（2021-03-04）[2021-05-16].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/
detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=
JXKX20210302004&v=71l%25mmd2FrpOgPQchO0qhQTvhy4-
Nepk3xFytPHf8HX6UaD8OulWRoT0oo2WKOayenIBmp.
[2] 程晓峰，张耀，万兴.板式换热器的结构设计與优化[J].节能，2020，39（9）：81-84.
[3] 高秀晶，吴俐俊，梁辰光.新型板壳式低压省煤器与管翅式低压省煤器传热性能的对比研究[J].电力与能源，2014，35（3）：366-368.
收稿日期：2021-05-19
作者简介：王雪莹（2000—），女，江苏徐州人，研究方向：光电信息。
通信作者：徐迅（1983—），男，江苏南通人，副教授，研究方向：工程传热。