板式换热器传热及阻力特性研究

任改霞 赵 锋

(1.西安科技大学高新学院建筑与土木工程学院，陕西西安 710109;2.中广核工程有限公司，广东深圳 518124)

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。板式换热器和壳管式换热器相比存在着换热效率高、热损失小、结构紧凑、拆卸方便、板片品种多、使用范围广等优点，目前板式换热器技术已日趋成熟并大量地应用于工业领域中［1，2］。

国内外关于板式换热器的研究报道很多，国外主要通过建立基于设备结构的数学模型，通过提供流道数目、板两侧流动状态、流动区域和流动的类型等条件，计算得到在整个流道中的温度分布、传热系数、压力降及瞬态特性。国内则主要着手于特征数方程的研究及其系数拟合［3］。本文以水—水型板式换热器为研究对象，分析其在实验工况下的传热能力及阻力特性，为进一步研究提供理论参考。

1 换热器结构

板式换热器主要装配形式为悬挂式。悬挂式结构由波纹板片组、密封垫、固定板、压紧板、上承板、下导杆、夹紧螺栓等主要零件组成。常见的波纹板在板面上有四个角孔，板面之间通过密封垫片以隔离冷热侧流体，相邻板片根据冷热流体的逆向流动特性制造出具有反方向的人字波纹沟槽(见图1)，介质在沟槽内流动时形成湍流，从而获得较高的换热效率。

图1 板式换热器的结构图

2 实验方法

为了验证板式换热器的传热与阻力特性，根据实验要求搭建了实验台，主要设备包括了板式换热器、冷源装置、热源设备、数据采集装置等4个部分。其中板式换热器采用了某厂生产的BR1.1型板式换热器，其板片材质为Z6CND17-12不锈钢，换热面积为212 m2，板片间距为3.6 mm，板片厚度为0.7 mm，总板片数量为193块。冷源设备采用了恒温冷却水保证冷水进口温度;热源设备采用了具备恒定放热的热源水池用以保证热水进口温度;数据采集装置包括了冷热源的进出口的PT100温度探头、MV2000型温度记录仪、板式换热器冷热源侧的差压表及入口压力表、流量计等，上述设备的安装流程图见图2。实验时冷热水经水泵输送流经流量计及手动蝶阀，进入板式换热器进行对流换热，然后再流回水箱，而恒温水箱则各自通过加热及冷却系统维持温度恒定。

图2 实验流程图

3 数据处理

3.1 换热系数的计算

采用努塞尔数评价板片表面传热性能，考虑流体粘度变化不大，板式换热器流体努塞尔数的Sieder-Tate关联式为:

其中，Nu为流体努塞尔数;C为系数;Re为流体雷诺数;m，n，p均为指数;Pr为流体普朗特数;μ，μw分别为对应流体特征温度和板片壁温下的流体动力粘度，Pa·s;h为板片表面传热系数，W/(m2·K);d为换热器流道当量直径，m;λ为流体热导率，W/(m2·K);u为流体流速，m/s;γ为流体运动粘度，m2/s;a为流体热扩散率，m/s。

考虑流体特征温度与板片壁温相差不大时，通常可近似认为μ=μw;当流体被加热时指数n取0.4，当流体被冷却时指数n取0.3，故以上可简化为:

其中，i=1，2，1表示热侧，2表示冷侧，为了求解C及m的值，针对简化后的式(2)在两侧取对数，可得:

式(3)为一次线性方程，Re，Pr可通过测试数据计算得到，只有C，m是未知数，对实验数据可进行最小二乘拟合，其中一次方程的曲线斜率为m，截距为lnC，进而可求得冷热侧的换热关联式，从而代入式(4)求出冷热侧的对流换热系数。

其中，i=1，2，1 表示热侧，2 表示冷侧。

忽略污垢热阻，板式换热器换热系数K的计算式为:

其中，K为换热器换热系数，W/(m2·K);h1为热侧板片表面传热系数，W/(m2·K);δs为板片厚度，m;λs为板片热导率，W/(m2·K);h2为冷侧板片表面传热系数，W/(m2·K)。

3.2 阻力系数的计算

对于水—水板式换热器流动中所包含的阻力主要包括两类:摩擦阻力及局部阻力。摩擦阻力是板式换热器中液体的压降主要来源，另一部分则来自角孔压降。本文在阻力研究中将主要针对摩擦阻力，该阻力主要来自3个部分:1)流体物性，流体粘度越大，阻力越大;2)板片集合特性，与板型结构及设计参数有关，表面粗糙度越大，板片越长，间距越小，则阻力越大;3)流动特性，流速越高，阻力越大。

在应用研究及设计计算中通常采用消除当量直径和流道长度的范宁摩擦因子来表征板式换热器流道内的阻力特性，范宁摩擦因子与压降的关系式为:

其中，f为范宁摩擦因子;ΔP为测定的进出口处的压力降，kPa;de为换热器流道当量直径，m;L为换热器流道长度，m;ρ为流体密度，m3/kg;u为流体流速，m/s。

4 实验与计算结果

根据实验结果并结合流体工质的物性参数，参照文献［5］［6］的等雷诺数方法可计算得出冷热侧的准则关联式为:Nu=0.114Re0.755Prn(加热时指数 n 取 0.4，冷却时指数 n 取 0.3)，相关度为99.61%，适用范围为5 000≤Re≤30 000，图3描绘了板式换热器Nu随Re的变化曲线。根据式(4)，式(5)可知，板式换热器的总传热系数也随Re的增大而增大，因此，在设计板式换热器时，为增强换热效果，可按紊流来设计。

根据水—水板式换热器的阻力特性，在测量得到板式换热器的实验压降后，根据式(6)计算出相应的摩擦因子f，再根据线性解析方法计算 f=CRen的关系式为:f=37.222Re－0.457，图4 描绘了范宁摩擦因子随Re变化的曲线图，可见，雷诺数越大，摩擦因子越小，流动阻力也就越小。

图3 雷诺数与努塞尔数的关系

图4 雷诺数与范宁摩擦因子的关系

5 结语

1)本文主要阐述了板式换热器的特点、结构及工作原理。

2)针对BR1.1型板式换热器，设计了传热相关实验，重点关注不同流动特性对其传热及阻力特性的影响。

3)通过最小二乘法及等雷诺数法来求解板式换热器相应的对流换热特征数方程，并阐述了范宁摩擦因子随雷诺数变化的特征方程。

4)本文进行板式换热器的设计计算时未考虑到板片的污垢热阻，然而在长期运行后的板式换热器污垢热阻将急剧增大，因此，如何除垢及深入其形成机理是后续研究的重点。

［1］赵晓文，苏俊林.板式换热器的研究现状及进展［J］.冶金能源，2011，30(1):52-57.

［2］任改霞，赵 锋.板式换热器在电厂中的应用研究［J］.山西建筑，2014，40(2):136-137.

［3］徐志明，郭进生，郭军生，等.板式换热器传热和阻力特性的实验研究［J］.热科学与技术，2010，9(1):11-16.

［4］杨崇麟.板式换热器工程设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1994.

［5］欧阳新萍，吴国妹，刘宝兴.等流速法在板式换热器传热试验中的应用［J］.动力工程，2001，21(3):1260-1262.

［6］李冠球.板式换热器传热传质实验与理论研究［D］.杭州:浙江大学博士学位论文，2012.