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板式换热器作为压缩机冷却器的传热和流阻性能实验研究
华南理工大学 曾文良 林培森 王世平 张正国
摘要：以现场的压缩空气为实验工质,对压缩空气在人字形波纹板式换热器传热 与流阻性能进行了实验研究。研究结果表明板式换热器与传统的光滑管弓形隔板换热器 相比较,板式换热器能非常有效地强化气侧的膜传热系数,但是与空气在花瓣状翅片管 (以下简称PF管)和低肋管螺旋隔板换热器壳侧的传热相比较,在同等的传热量下,板式 换热器的膜传热系数是PF管螺旋隔板换热器的(30~40)%(以胚管外表面积计算,下 同)、是低肋管螺旋隔板换热器的(40~50)%,然而其压力损失却是PF管螺旋隔板换热器 的3~5倍,是低肋管螺旋隔板换热器的1·7~3倍。此外还从传热与流阻、换热效率、紧 凑性和经济性等方面对板式换热器的整体性能进行了评价。
关键词：板式换热器 强化传热 人字形波纹板
符 号
E———换热效率
Nu———Nusselt准数
K———总传热系数,W/m2·K
Pr———Prandtl准数
V———气体的标准体积流量,Nm3/min
a———膜传热系数,W/m2·K
Eu———Euler准数
NTU———传热单元数
Pe———Peclet准数
Re———Reynolds准数
ΔP———流动压降,MPa
下 标
a———空气侧
o———管外
w———冷却水侧
i———管内
1 引言
板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备。尽 管其发展已有近百年历史,且在国民经济的少数部 门(如食品、制药)有着比较广泛的应用,但是由于 耐温、耐压、耐腐蚀能力而制约其在各个部门的全 面推广和应用。进入80年代以来,由于制造技术、 垫片材料的不断进步以及传热理论的不断完善,板 式换热器的应用越来越受到工业生产部门的重视。 近十年来,国内外有许多有关板式换热器的论文发 表,但是有关空气—水在板式换热器的传热与流阻 性能的研究论文较少。本课题的研究就是针对压 缩机中间冷却器和后冷却器的冷却能力不足而开 展的强化传热与节能的研究,实验是在某厂生产现 场进行,利用D—100/7空压机Ⅱ级出口空气为实验工质,来研究板式换热器的传热与流阻性能。
2 实验装置、流程、方法
实验所用的换热器的几何结构参数见表1,流 程如图1所示。实验分两种方案进行:保持冷却水 流量不变,依次改变空气的体积流量,通过传热系 数的分离来求得空气侧的对流传热系数;保持空气 的流量不变,依次改变冷却水的流量,从而来考察 冷却水对总传热系数的影响。实验过程中使用的仪表经过校正,完全能够满足实验要求。
3 实验数据关联
3·1 传热性能数据关联
对于空气与水在板式换热器的传热关联我们 采用如下经验公式关联实验数据:
3·2 流阻性能数据关联
对于板式换热器的压降的计算可以采用Eu= ΔP/(ρu2/2),故我们可以采用以下形式对实验数 据进行关联,且关联结果如表3所示,关联数据误 差≤±20%。
4 实验结果及实验结果分析
4·1 传热实验结果及实验结果分析
空气—水在板式换热器两侧的传热性能实验 结果如图2~4所示。图3是空气侧的膜传热系数 与气体的体积流量的关系曲线,并与空气在PF管 和低肋管螺旋隔板换热器壳程的膜传热系数进行 对比;图3是总传热系数与气体体积流量的关系, 且与PF管和低肋管螺旋隔板换热器的总传热系数 进行对比。从图2、图3可以看出,单程和两程的 换热器空气侧的膜传热系数和总传热系数基本一 致,这充分说明本实验的重复性较好。板式换热器 由于板片波纹的存在,极大地激发了流体流动过程 中的湍动强度,大大地降低了流体达到湍流的临界 Re值,很大程度地提高了对流传热系数,与光滑管 形隔板换热器相比较,有了一个很大的飞跃(一般 情况下空气在光滑管弓形隔板换热器壳侧的膜传 热系数在50~250W/m2·K),但是与空气在PF管和低肋管螺旋隔板换热器的壳侧的传热性能相比较, 膜传热系数是PF管的(30~40)%、是低肋管的(4 ~50)%。这主要是因为,一方面粗糙壁面传热管 有效地扩充了传热外表面积;另一方面流体在螺旋 流道内流动时,管束的外表面粗糙元非常有效地激 发流体的湍动强度,减少换热器壳侧的传热热阻。 图4是板式换热器水侧的对流传热系数Re值 的关系曲线,其结果基本上与文献值相接近[1、2]。
4·2 流阻实验结果及实验结果分析
图5是空气的流动压降与气体体积流量V的 关系曲线,且与螺旋隔板换热器的流动压降进行比 较。从图5可以看出,在同等的传热量下,板式换 热器的流动压降是PF管螺旋隔板换热器的3~5 倍,是低肋管螺旋隔板换热器的1·7~3倍。板式 换热器压降大的主要原因,是由于板片波纹一方面 强化流体流动的湍动强度,激发漩涡的产生,提高 了流体的传热性能,然而另一方面,漩涡的产生很 大程度地增加了流体流动过程中的形体阻力,而不 是将流动过程中的压力损失有效地转化为传热系 数的提高。但是对于螺旋隔板换热器,特别是PF 管螺旋隔板换热器,由于流体流过管外三维翅片 时,流体与翅片以剪切运动为主,而不断间隔的翅 片又使得流体的传热和流动边界层不断发生分离, 从而达到提高对流传热系数、降低流动压降的双重 目的,也就是有效地将压降转化为传热系数的提 高。
图6是水侧流动压降与Re值的关系曲线,其结果与文献[1,2]所提供的参考值基本上接近,这也进一步说明本实验的可靠性和准确性。
5 板式换热器的强化传热性能评价
任何一换热器的整体性能应从多方面来进行 评价。文献[3]所提供的方法主要是从换热器的传 热与流阻两个方面来进行评价。这里我们首先对 板式换热器的传热和流阻性能进行评价,图7是板 式换热器的压降ΔP与空气侧膜传热系数α的关 系曲线,且与PF管和低肋管螺旋隔板换热器进行 对比。从图7可以发现,板式换热器的传热与流阻 性能远远低于PF管和低肋管螺旋隔板换热器,其 主要原因在前一部分和文献[4]中均已论述。 从换热效率上来考察板式换热器的性能,我们 不难发现板式换热器换热效率高。图8就是换热 效率E与传热单元数NTU的关系曲线,其中有关 1—2型管壳式换热器的数据摘自文献[5]。从图 可以看出,板式换热的换热效率远远高出1—2型 管壳式换热器,这主要是因为对于板式换热器,两 侧流体是完全呈逆流流动,而且流体在板片间流动 过程中的返混极小,从而能够最大限度地减小传热 过程的温差及有效能损失,可以有效地提高有效能 的利用效率。
最后我们从紧凑性和经济性来分析板式换热器,板式换热器是当前公认的紧凑换热设备,单位体积的换热能力远无大于光滑管弓形隔板换热器且大于PF管和低肋管等粗糙壁面传热管螺旋隔板换热器;在经济性方面,由于制造技术的不断进步其价格在逐步下降,也就是说其性能价格比在不断上升。
6 结论
板式换热器用于压缩空气的冷却时,其强化传热性能比普通的弓形隔板换热器有了一个很大的飞跃,但是与PF管螺旋隔板换热器相比较时,其传热和流阻性能相差甚远;当前由于螺旋隔板换热器 的制造困难,而板式换热器的价格在不断下降,垫片材料在不断发展,如果我们能够选择合适的垫片材料,将板式换热器应用于压缩机冷却器是可行的;板式换热器由于具有换热效率高的优点,因此最适合用于低温差过程的换热,也就是工艺过程的热回收和冷回收,以最大限度地减少换热过程的有效能损失。
参考文献
1 板式换热器工程设计手册.北京:机械工业出版 社,1995
2 MuleyA,Manglik RM.Enhanced heat transfer charac- teristics of single-phase flows in a plate heat exchang-
er with mixed chevron plates.enhanced heat transfer, 1997;V4:187~201
3 Karal D et al.Helical baffles shell-and-tube heat exchangers, Part I: experimental verification. Heat
transfer engineering,1996;17(1):93~100
4 曾文良等.空气在不同管束的螺旋隔板换热器的 传热与流阻性能实验研究.流体机械,1999;27 (11)
5 林宗虎.强化传热及其工程应用.北京:机械工业 出版社,1996
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