基于正交试验的钎焊板式换热器优化设计

陈宗毅，何 林

(贵州大学，贵州 贵阳 550025)

0 引言

钎焊板式换热器具备重量轻、体积小、传热效率高等优点，它不但被应用于供热、制冷、空调、化工冷藏、饮用水处理、废水处理、热回收等方面，也被广泛的应用于各种机械液压系统油液的换热过程中［1-3］。提高钎焊板式换热器的换热性能，降低液压系统中油液温度，减少液压系统中各部件过热而造成的损耗成为目前重要的研究方向。

对于钎焊板式换热器的研究目前主要为设计与实际应用。Giovanni A.Longo［4］研究了在钎焊板式换热器中几种饱和蒸汽的冷凝过程中，流体的流动特性与传热系数及压降。王雷［5］等做了钎焊换热器的水—水换热性能实验，测得了传热系数和压降的性能曲线。袁凌［6］从制造工艺、产品性能及应用三个方面阐述了全不锈钢钎焊板式换热器(AlfaNova)的性能及实际应用。陈亚平［7］通过实验研究了钎焊板式换热器用于暖气热水器的传热性能，并得到其传热性能优于管式换热器。乔晓刚［8］等研究了波纹倾角、波距及波纹深度对水—水换热钎焊板式换热器中流体传热及流动状态的影响。

由于钎焊板式换热器与传统可拆式板式换热器的流道形状不相同，且运用单因素分析单个参数的影响不能获得较优选的换热器尺寸参数。故本文根据某钎焊板式换热器的实际结构尺寸，建立物理模型，并设计正交仿真试验，综合考察波纹深度、波纹倾角及波距对换热性能的影响。

1 钎焊板式换热器结构参数和物理模型

图1为钎焊板式换热器板片的结构示意图，并给出了板片的外形尺寸，及对换热器换热性能影响较大的三个参数:波纹深度h、波纹倾角β及波距P。

图1 板片结构示意图

根据某钎焊板式换热器的板片形状，建立如图2所示的由一个冷流道和一个热流道组成的物理模型。并根据钎焊板式换热器流体的流动形式—单边流，布置流体的进出口在同一侧。且每块板片的有效换热面积均为45 624 mm2，其中板片的厚度为0.4 mm。

图2 钎焊板式换热器物理模型

2 流场仿真与正交试验方案

2.1 计算假设

运用计算流体力学Fluent软件，对钎焊板式换热器的物理模型进行稳态分析，采用标准湍流方程，在仿真分析流体的流动传热之前，作出如下假设:流体的物理属性不随温度和时间的变化而变化;流体在运动过程中，忽略重力的影响;只考虑中间传热板传热。

2.2 网格划分和边界条件

由于钎焊板式换热器板片的外形比较复杂，板片波纹的形状尺寸较小，只能采用非结构网格。为了获得较高的计算精度，网格的质量至关重要。本次仿真细划了板片的波纹区域，采用初始网格尺寸为0.5 mm，网格高度比为1.2，全局网格尺寸为7 mm。网格数380万左右。图3给出了板片局部网格分布。

图3 板片局部网格

本文的研究对象为油—水换热器，表1给出了材料的物性参数。热流与冷流的入口条件均采用速度入口条件，根据钎焊板式换热器的实际工况，热流与冷流入口流量在1.2 m3/h～4.4 m3/h范围内，由流量计算得热流入口速度为0.008 m/s，冷流的入口速度为0.01 m/s。冷热流的出口均采用常规的压力出口条件，只考虑流体在流道中受到板片波纹的阻力影响，因此出口压力设置为0 Pa。

表1 流体物性参数

2.3 正交试验方案

根据钎焊板式换热器板片的制造工艺，此三个结构参数的取值范围分别为:h=3 mm～6 mm，波纹倾角 β =30°～80°，波距 P=4 mm～10 mm。考虑到该钎焊板式换热器的结构形式及尺寸大小，在设计正交试验时，每个因素选取4个水平。此正交试验的水平因素如表2所示。

表2 板片几何参数正交试验水平因素

由于研究对象有3因素4水平，采用L16(45)的正交表，设计波纹深度h、波纹倾角β、波距P的正交仿真试验方案，如表3所示。

表3 正交试验方案和仿真结果

3 正交试验结果分析

由Fluent软件计算出每组试验的热流与冷流在板片间的平均速度，计算的结果如表3所示，将仿真出的速度值换算为雷诺数，并通过传热准则关联式计算出此物理模型的传热系数。

流体传热的准则关联式［9］:

式中:Re为雷诺数，Pr为普朗特数，系数C=0.15～0.4，各指数的取值范围m=0.65～0.85，n=0.3～0.45。根据本文的研究对象，取C=0.18，指数m=0.72，n=0.3。

热阻的计算公式:

式中，λ为流体的导热系数，单位W/(m·℃);de为当量直径，单位m。

传热系数方程为:

式中:K为总传热系数，单位 W/(m2·℃);α1、α2分别为热、冷流体热阻，单位(m2·℃)/W;σ为传热板板厚，单位m;λ1为传热板导热系数，单位W/(m·℃)。

以单个冷热流道的物理模型的传热系数评价换热器的换热性能。为了排除随机因素，寻找理论最优方案，并分析这三个因素对于钎焊板式换热器的换热性能影响的主次因素，故对每组试验计算所得的传热系数做极差分析。

表4 传热系数的极差分析

表4给出了传热系数的极差分析结果，其中K1、K2、K3、K4分别为 4 水平所得结果的平均值，R为3个因素的极差值。对比分析极差值的大小:RA＞RC＞RB，因此对流体传热系数影响最大的因素是波纹深度h，其次是波距P。最大传热系数应选A1B4C4的参数组合，即最优的理论方案为波纹深度h=3 mm、波纹倾角β=60°、波距P=10 mm。

4 结论

本文以油—水钎焊板式换热器为研究对象，对三个主要影响换热器换热性能的结构参数设计了正交试验，得到以下结论:

1)正交试验揭示了波纹深度h、波纹倾角β、波距P对钎焊板式换热器换热性能的影响，其中波纹深度对换热性能的影响较大，这三个参数影响换热性能的主次关系为:波纹深度＞波距＞波纹倾角。

2)由正交试验可知:以传热系数为最大目标函数的优选参数组合为波纹深度h=3 mm，波纹倾角β=60°，波距 P=10 mm。

［1］ 郭琳琳，张晓伟.浅谈板式换热器［J］.科技视界，2012(14):178-179

［2］ 栾辉宝，陶文铨，朱国庆，等.全焊接板式换热器发展综述［J］.中国科学:技术科学，2013(09):1020-1033

［3］ Freund S，Kabelac S.Investigation of local heat transfer coefficients in plate heat exchangers with temperature oscillation IR thermography and CFD［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2010(53):3764 –3781

［4］ Giovanni A.Longo.Heat transfer and pressure drop during hydrocarbon refrigerant condensation inside a brazed plate heat exchanger［J］.International journal of refrigeration，2010(33):944-953

［5］ 王雷，朱洪明，陈亚平.钎焊板式换热器传热与压降性能实验［J］.能源研究与利用，2008(05):34-36

［6］ 袁凌.全不锈钢钎焊换热器性能及应用［J］.制冷与空调，2005(02):98-100

［7］ 陈亚平.钎焊型板式换热器用作暖气热水器的研究［J］.石油化工设备，2004(06):7-8

［8］ 乔晓刚，李鹏，崔立棋，等.三个关键几何参数对人字形波纹钎焊板式换热器换热性能影响的分析［J］.制冷与空调，2011(04):121-128

［9］ 杨崇麟.板式换热器工程设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1995