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三角形波纹板式溶液热交换器传热特性研究
龙 剑 王小花(中南大学)
摘要：为了解三角形波纹板式溶液热交换器的传热特性,通过对其物理数学模型的求解,并与平板式溶液热交换器相对比,得到了三角形波纹板式溶液热交换器的流动、传热特性以及不同溶液流速对其传热性能的影响。研究三角形波纹板式溶液热交换器的波纹形状对其流动、传热性能的影响,得到波纹长度、波纹夹角与换热器的传热系数、换热器内流体压降的关系,其结果可为溶液热交换器的设计与优化提供依据与理论指导。
关键词：吸收式制冷 溶液热交换器 传热性能 流速
溴化锂吸收式制冷系统的溶液热交换器在溴化锂制冷机组中具有突出作用,它主要通过高温溶液与低温溶液之间的换热来降低吸收器溶液进口温度,提高发生器溶液的进口温度,从而降低吸收器的冷却负荷与发生器的加热负荷[1]。因此研究溶液热交换器的传热特性及其优化设计对于节约能源、提高整个制冷机组的性能具有重要意义。
1 三角形波纹板式溶液热交换器的流动、传热特性
板式热交换器的波纹有不同的形状,三角形的波纹板是其中的一种主要形式,如下图1所示。
笔者通过数值模拟的方法,其物理数学模型见参考文献[2]。与平板式热交换器进行对比,研究三角形波纹板式热交换器在不同溶液流速下的流动与传热特性以及其波纹长度ｌ与夹角θ对换热器流动、传热性能的影响。计算条件:以某低温溶液热交换器为例,热交换器板间距为5ｍｍ,流体流经的有效板长为5.2ｍ,中间隔板为铝板,厚度为0.5ｍｍ。取Ｔ1=90℃,Ｔ2=40℃,Ｖ1=Ｖ2,分别取0.1～1ｍ/ｓ之间的数值进行计算。
溶液热交换器中溶液的流动状况对其传热具有较大的影响,因此通过与平板式热交换器进行对比,研究三角形板式溶液热交换器的流动特性能够更深入地了解其传热性能。以下计算中取ｌ=30ｍｍ,θ为120°,溶液流速为0.1ｍ/ｓ。
由图2与图3可以看出,在平板式溶液热交换器中,溶液的速度分布很规则,速度矢量以平板中线为对称轴,呈抛物线状分布,速度曲线与板面平行。由图4与图5可以看出,在三角形波纹板式热交换器中,溶液的速度分布不规则,在波纹板的顶角处存在明显的二次回流现象,速度曲线呈块状分布,不与板面平行。由图6可以看出,与平板式换热器相比,三角形波纹板式热交换器稀溶液出口处的温度较高,而且溶液内部温度分布比较均匀,温度梯度较小。由此可以说明,三角形波纹板式溶液热交换器中,溶液在流动过程中扰动较大,容易形成湍流与回流,从而使不同温度的同种溶液混合均匀,同种溶液间温度梯度减小,有利于高、低温溶液间的充分换热。
2 溶液流速对换热性能的影响
溶液热交换器中溶液的流速对热交换器的性能影响较大。下面通过与相同条件下平板式溶液热交换器的对比,研究三角形波纹板式溶液热交换器在不同流速下的传热情况。以下计算中取ｌ=30ｍｍ,θ=120°,溶液流速取0.1～1ｍ/ｓ。
图 6 流速为0.1ｍ/ｓ稀溶液出口处温度分布图
由图7可看出,三角形波纹板式热交换器溶液的进出口温度随溶液流速的增加而减小,但在相同流速下三角形波纹板式热交换器的溶液进出口温差为平板式换热器的2倍左右,表明三角形波纹板式热交换器的强化传热效果比较明显。由图8和图9可以看出,热交换器的平均对流换热系数与单位面积换热量随溶液流速的增大而增大,但三角形波纹板式溶液热交换器的这两个参数随溶液流速的增大更为显著,表明三角形波纹板式溶液热交换器中溶液流速对其换热性能影响较大,适当提高溶液流速能有效地提高三角形板式溶液热交换器的传热性能。由图10可以看出,换热器的流体压降随溶液流速的增大而增大,但三角形板式热交换器中流体压降随溶液流速的增大而增大得很迅速,表明在三角形溶液热交换器中,要提高溶液的流速,必须以较大的流体压降损失为代价。
3 波纹形状对换热性能的影响
对于三角形波纹板式溶液热交换器,其波纹形状的变化对其换热性能有较大的影响。由图1可知,其波纹形状主要由波纹长度ｌ及其波纹的夹角θ所决定。下面分别研究这两个参数对其换热性的影响。计算时,热交换器有效板长均为5.2ｍ,溶液流速取0.5ｍ/ｓ,研究波长ｌ的影响时,夹角θ定为120度;研究夹角θ的影响时,波长ｌ定为30ｍｍ。
由图11可以看出,整体上说,三角形波纹板式热交换器的平均对流换热系数随其波长的增长而减小,在波长为20～28ｍｍ间减小较为迅速。但减小趋势并不是单一的,在波长为30ｍｍ与波长为38ｍｍ附近分别出现两个不同大小的波峰。由图12可以看出,三角形波纹板式热交换器内流体压降随波长的增加而减小,其曲线不是很圆滑,但减小趋势是单一的。由此表明,适当减小三角形波纹板式热交换器的波纹长度可以提高热交换器的换热性能,但要以较高的流体压降为代价,过小的波长也会增大加工工艺的难度。而在波长为26～34ｍｍ之间取30ｍｍ最为合适,可以用相对较小的流体压降而取得较大的平均对流换热系数。由图13可以看出,三角形波纹板式热交换的平均对流换热系数随波纹夹角的增大而减小,从110度至120度,减小较为缓慢,但大于130度后减小得非常迅速。由图14可以看出,三角形波纹板式热交换器内流体的压降随波纹夹角的增大而减小,从110度至120度,减小较为迅速,但大于130度后减小得相对缓慢。由此表明,三角波纹板式热交换器的波纹夹角取120度至130度之间较为合适。当夹角小于120度时,会以较大的压降损失换得相对较小增加的平均对流换热系。
4 结 论
1)通过对其物理数学模型的求解,并与平板式溶液热交换器相对比,得到了三角形波纹板式溶液热交换器的流动、传热特性以及不同溶液流速与热交换器波纹形状对其流动、传热性能的影响。
2)三角形波纹板式溶液热交换器中,溶液在流动过程中扰动较大,容易形成湍流与回流,从而使不同温度的同种溶液混合均匀,使同种溶液间温度梯度减小,有利于高、低温溶液间的充分换热。
3)三角形波纹板式热交换器溶液的进出口温度随溶液流速的增加而减小,但在相同流速下三角形波纹板式热交换器的溶液进出口温差为平板式换热器的2倍左右,三角形波纹板式热交换器的强化传热效果比较明显。
4)三角形波纹板式溶液热交换器中溶液流速对其换热性能影响较大,适当提高溶液流速能有效地提高三角形板式溶液热交换器的传热性能,但要提高其溶液的流速,必须以较大的流体压降损失为代价。
5)三角形波纹板式溶液热交换器的平均对流换热系数随其波长的增长整体上是减小的,但减小趋势不是单一的;热交换器内流体压降随波长的增加而减小,减小趋势是单一的。波长在26～34ｍｍ之间取30ｍｍ最为合适,可以用相对较小的流体压降而取得较大的平均对流换热系数。
6)三角形波纹板式热交换器的平均对流换热系数和热交换器内流体的压降随波纹夹角的增大而减小,热交换器的波纹夹角取120度至130度之间较为合适,否则热交换器内有较大的流体压降损失或使热交换器的传热性能较差。
7)计算结果可为溶液热交换器的设计与优化提供理论依据与指导。
参考文献
[1] 李小平,陆震.溶液热交换器的分布参数模拟.制冷技术,2000,(2):10 12.
[2] 龙剑.溴化锂吸收式制冷系统溶液热交换器的传热性能研究.制冷与空调,2006,(3):86 88.
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