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Research: 非对称板式换热器传热及流阻特性的数值模拟与实验研究

已有 815 次阅读 2020-4-11 20:44 |系统分类:论文交流

原文信息

Numerical simulation and experimental research on heat transfer and flow resistance characteristics of asymmetric plate heat exchangers

Shaozhi Zhang, Xiao Niu, Yang Li, Guangming Chen, Xiangguo Xu

作者单位

Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenics Technology of Zhejiang Province, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

原文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s11708-019-0654-7

http://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-019-0654-7


研究背景及意义

板式换热器(PHE)是一种极具竞争力的换热设备,由于其传热效率高、结构紧凑且清洗方便,广泛应用于食品、冶金及制冷空调等相关领域。在实际工程应用中,当冷、热流体流量或温差要求不同时,若使用冷、热侧通道截面积与当量直径均相等的常规板式换热器(CPHE)进行热交换,那么冷、热侧通道流速相差较大,会有一侧流道的允许压力降不能充分利用,进而使换热器的设计面积增大,效率降低;而且对于流速较低的一侧流道,其换热系数较小,易结垢;对于流速较高的一侧流道,又存在板片承压较大,易发生板片变形等缺点。其中一种可选的解决方法是采用多流程布置,使冷热介质在板间的流速接近,然而多流程布置又会带来安装维修不便、板间易堵塞等问题。

      为适应不断变化的市场需求,拓展板式换热器的应用范围,国内外众多学者和厂家在原有板式换热器的基础上,针对性地开发了新型的不等截面换热器,即非对称板式换热器(APHE)。在冷、热流体具有不同热特性时,传统板式换热器中流体的压力降无法充分利用,且换热器与非对称工况无法合理匹配。APHE既可以克服传统板式换热器的这些缺点,也可以应用于粘性流体和工业含沙流体等领域,扩大了板式换热器的应用范围。表1列举了不同种类非对称板式换热器的相关特性研究。如Focke测试了几种具有非对称流道的板式换热器的换热性能,拟合得到了若干种非对称流道的科尔本传热因子j和阻力因子f关于雷诺数Re的关联式结果,结果表明,当两种流体流速或者允许压降相差较大时,非对称板式换热器具有更好的性能。Lee针对一种用于氨和水进行热交换的新型非对称板式换热器,研究了其阻力和传热特性,由于水和制冷剂流量差较大,对常规板式换热器来说其两侧压降相差很大,制冷剂侧的允许压力降始终不能做到充分利用,而非对称板式换热器可以使两种流体压降较为均匀,最终在给定工况下该新型换热器的换热系数可以达到对称板式换热器的两倍以上。

      尽管非对称板式换热器具有上述优点,但由于其结构的多样性、应用区间的不明确性以及制造成本等问题,在市场上应用有限目前多以专利形式存在通过研究整体性能来得出非对称板式换热器的适用区间是扩展其应用范围的关键。


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研究内容及主要结论

本文通过数值模拟和实验研究了一种采用高低波纹的非对称板式换热器的流动及换热性能。具体的流道截面轮廓如图1所示,其中图1a为常规对称板式换热器的流道截面;图1b为非对称板式换热器的流道截面。

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图1 换热器的流道截面轮廓示意图

(a)CPHE; (b)APHE


首先,应用FLUENT 软件,采用SST k-ω 模型和非结构化网格,建立了人字波纹板主流区域的双通道模型,并利用实验数据验证了模型的可靠性。其次,提出了衡量高低波纹高度差别的指标——不对称度N,并模拟了在五种不对称度(N = 0.2、0.38、0.5、0.59和0.77)下的换热器传热和流动性能。针对水-水单相换热的情况,拟合得到了包含N的努塞尔数和摩擦系数关联式,并在此基础上对更高普朗特数流体进行了推广计算。然后,利用综合性能参数Nu/f1/3进行评价,结果表明,随着N值减小,两侧通道的综合性能参数Nu/f1/3差异逐渐增大,在热侧与冷侧的流量比满足一定条件下,非对称板式换热器的传热性能优于常规对称板式换热器,如在N = 0.5且流速比为2的情况下,非对称板式换热器的总传热器系数提高了约22%。此外,研究了非对称板换对换热工况的敏感性,得到了不同 值下相比对称板式换热器,非对称板式换热器的优势工况区域。本研究说明了非对称板式换热器在非对称工况下的性能优势,研究结果可为非对称板式换热器的应用提供有价值的指导。

研究亮点

非对称板式换热器既具备板式换热器的传统优势,又能为广泛存在的非对称流动换热提供更优选择,还具备减少系统制冷剂充注量的潜力。本文针对一种非对称板式换热器单相流换热开展了数值模拟和实验研究,很好地证明了非对称板式换热器在一些应用场合下具有显著优势,进一步开展非对称板式换热器研究有重要价值。



ABSTACT

The asymmetric plate heat exchanger (APHE) has the possibility of achieving balanced pressure drops on both hot and cold sides for situations with unbalanced flow, which may in turn enhance the heat transfer. In this paper, the single-phase water flow and heat transfer of an APHE consisted of two types of plates are numerically (400≤Re≤12000) and experimentally (400≤Re≤3400) investigated. The numerical model is verified by the experimental results. Simulations are conducted to study the effects of N, an asymmetric index proposed to describe the geometry of APHEs. The correlations of the Nusselt number and friction factor in the APHEs are determined by taking N and working fluids into account. It is found that an optimal N exists where the pressure drops are balanced and the heat transfer area reaches the minimum. The comparison between heat transfer and flow characteristics of the APHEs and the conventional plate heat exchanger (CPHE) is made under various flow rate ratios of the hot side and the cold side and different allowable pressure drops. The situations under which APHE may perform better are identified based on a comprehensive index Nu/f^(1/3).


作者简介


张绍志,男,工学博士,副教授,现任中国制冷学会第六专业委员会委员,浙江省制冷学会理事,浙江大学制冷与低温研究所副所长。

主要研究方向有:

①   生物材料、食品材料及木质文物的冷冻/冷冻干燥:细胞的低温保存;人血小板的冷冻干燥;关节软骨的低温保存;食品和生物材料的玻璃化保存;木质文物的冷冻干燥。

②   高效制冷:低品位热的有效利用;制冷空调用板式换热器。

③   制冷及低温自动化:换热器/换热管性能测试设备及软件研制;低温(液氮、液氢)恒温设备及软件研制;新型低温保存设备及软件研制。



Cite this article

Shaozhi ZHANG, Xiao NIU, Yang LI, Guangming CHEN, Xiangguo XU. Numerical simulation and experimental research on heat transfer and flow resistance characteristics of asymmetric plate heat exchangers. Front. Energy, 19 December 2020. [Epub ahead of print] doi: 10.1007/s11708-020-0662-7






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