技术探讨：板式换热器的热混合计算

  2.1 "热混合"的定义     

板式换热器中的"热混合"(Thermalmixing)是指冷热流体在换热器内部的混合现象。由于板片的特殊波纹结构,流体在流道内呈现复杂的湍流状态,相邻流道的冷热流体会部分混合,改变了理想的逆流或并流温度分布,影响了传热温差和传热效率[1]。  

2.2 "热混合"的影响因素     

影响板式换热器"热混合"的因素主要包括以下几点[2]:  

(1)板片的波纹形式 :不同的波纹角度、深度、波距会形成不同的流道结构,影响流体的湍流强度和混合程度。  

(2)通道数目: 通道数越多,相邻流道的温差越小,"热混合"引起的温差损失也越小。  

(3)流体性质 :流体的黏度、密度、比热等物性参数影响流体在流道内的流动状态和混合程度。  

(4)工况条件 :不同工况下的流量、温度、压力也会影响"热混合"的强弱。

3.1 给定压差与板型的匹配      

在已知流体性质和流量的条件下,换热器的压力损失取决于通道数和板型参数。

3.2 设计要求与板型的匹配      

除了压差要求外,热设计还需考虑换热量、传热系数、温度效率等性能指标。不同的板型具有不同的强化传热效果和"热混合"程度,需要权衡选择。  

对于给定的热负荷 Q,可以用下式估算所需的换热面积 A[4]:  

Q = U · A · ΔT_m  

其中,U为总传热系数,W/(m2·K);ΔT_m为对数平均温差,K。  

总传热系数 U 与板型的关系可用努塞尔准数 Nu 表示:  

Nu = C · Re^n · Pr^m  

其中,Re为雷诺数;Pr为普朗特数;C、n、m为与板型相关的经验系数。  

通过计算不同板型的传热系数和所需面积,可选出满足设计要求的最佳板型。  

3.3 孪生板片对热混合的影响      

为了强化传热并减小"热混合"损失,一些板式换热器采用了孪生板片(Twin plates)设计。孪生板片指将两片波纹板背靠背焊接,形成窄而深的流道,增大了湍流度和传热面积。

如下图所示，单纯大波纹倾角板片相互组合可形成一种流道，往往被称为高阻流道，单纯小波纹倾角板片相互组合可形成一种流道，往往被称为低阻流道，大小波纹倾角板片相互组合，又可形成一种性能介于高阻和低阻流道之间的第三种流道，往往称为中阻流道。  

有研究表明,与普通单片相比,孪生板片可使换热器的总传热系数提高20%~50%,同时"热混合"引起的温差损失减小50%以上[5]。这主要得益于孪生流道内更强的湍流掺混和更大的迂回因子。  

在设计计算时,可引入"有效板片数"的概念,将孪生板片等效为普通板片,再代入前述计算公式。孪生板片的"有效板距"可按下式估算[6]:  

b_eff = (b_1^2 + b_2^2) / (b_1 + b_2)  

其中,b_1和b_2分别为孪生板片两侧的板距,m。  

3.4 混合流道数的计算      

为了进一步减小"热混合"影响,可在板式换热器中设置若干"混合流道"。"混合流道"是指在冷热侧之间设置的一个或多个空流道,它不参与换热,但能均衡两侧的压力,减小泄漏,同时阻隔"热混合"。

板式换热器热混合计算是一项比较复杂的内容，涉及流体力学、传热学、数值模拟等多学科知识。目前对热混合机理和影响规律的认识还不够全面,计算模型和方法有待进一步完善。未来板式换热器热混合的研究可围绕以下几点展开:

(1)建立更精细可靠的湍流传热模型,准确描述波纹流道内的速度场、温度场分布,量化热混合强度。

(2)开展大规模数值模拟和实验研究,获取不同板型、工况下的热混合数据,总结设计规律和优化原则。

(3)发展新型强化传热技术,如开发新的波纹形式、引入纳米流体等,在强化传热的同时抑制热混合损失。

(4)拓展热混合研究的应用领域,如两相流、多组分体系、高温高压条件等,满足不同工业需求。

(5)将智能优化算法与热设计相结合,实现板式换热器结构参数和运行参数的全局优化,提高设计效率和使用性能。