1、板式换热器在制冷系统中的应用和优化设计目录1. 板式换热器简介 历史 原理 分类2. 钎焊板式换热器 原理和特性 生产和加工 应用 实验研究3. 可拆板式换热器 结构 应用 波纹结构优化及CFD4. 总结2板 式 换 热 器 简 介板式换热器历史 - History1. 从19世纪开始，板式换热器是随着食品加工行业（特别是奶制品）洁净度的要求提高而发展和使用起来的；2. 最早的板换结构由德国人Albrecht Dracke于1878年提出，当时由他最早提出热冷流体在间隔板片间流动换热的概念；3. 真正商业意义上的板换使用最早是在1923年，由Richard Seligman博士发明，被应用于牛
2、奶加工上，称之为Pasteurizer（巴氏杀菌机）；4. 从1930年开始，板式换热器拓展到其他行业；上个世纪70年代，各式各样的板型被发明出来，为了就是提高换热器的换热效率；5. 国外知名的板换生产厂家：Alfa Laval、SWEP、APV、GEA等；国内接触板换的时间较晚，但发展很快。4板式换热器原理 - Principle一句话概括：冷热流体在间隔的板片间流动换热。后端板冷热流体在板片间交替流动前端板板片5板式换热器的优点 - Advantage板换 10000是壳管 5000否换热系数纯逆流温度交叉末端温差接管位置滞液量不会 1 5一个方向多个方向小否大对振动敏感检漏是难易装配时间
3、修理短长板片可换难/变工况增加 减少板片无法更换6板式换热器分类 - Category7板式换热器波纹结构(a) Washboard(b) Herringbone(c) Chevron(d) Protrutionsb2 P P b4 2f (x) sin x 24W b2W bde 2b4 min imum free flow area 2bdh Wet t ed p erimet er22 b P b P Develop ed area 1 1 1 4 12Projected area 6 8钎 焊 板 式 换 热 器钎焊板式换热器简介钎焊板式换热器：钎焊板式换热器主要分为铜钎焊板换和镍钎焊
4、板换；板片主要是不锈钢材质，316L或者304。设计压力3.04.5MPa，设计温度-160220。正板片后端板反板片接管正板片接管外观前端板内部结构10钎焊板式换热器的制造氦检漏真空钎焊板片压制模具加工换热器设计11钎焊板换的应用蒸发换热冷凝换热单相换热MAX 250Kw- 蒸发器(氟/水)- 经济器(氟/氟)MAX 400Kw- 冷凝器(氟/水)- 过冷器(氟/水)- 油冷器(油/水)12钎焊板换的特性 基本流动流体通过波纹流道内的传热效率很高 流道当量直径通常小于5mm； 人字形波纹导致涡流产生，边界层被打破； 换热面积增大，面积放大系数通常在1.1 1.3之间。CorrugationC
5、ontact area基本流动单元小角度波纹内流体的流动大角度波纹内流体的流动13钎焊板换特性 两相分配两相工况下存在入口流体分配不均匀的情况 换热能力下降，蒸发不完全； 造成冰冻，损坏换热器； 蒸发器通常需要增加分配器，提高分配性能； 目前分配器的主要形式是增大压降提高分配效果。冷媒出冷媒进14钎焊板换在水系统中的应用注意事项 水中颗粒物要求:微粒要求最大径小于1mm可以通过钎焊板式换热器。如果为纤维状微粒，不管尺寸大小都是不允许的。水路要求加0.5-1mm的滤网。 水中PH值和各离子含量要求(ppm):PH值SO4-2总硬度Cl-PO43-NH3自由氯 Fe+0.5 0.5Mn+CO2H2
6、S6.5-9.01004.5-8.51002.00.50.051050 各种水源的使用建议1. 城市生活水：水质和水温较好。可以直接通入钎焊换热器中使用。2. 井水：水温较稳定，比较干净，但是生成水垢的含盐浓度有时会很高，且沿海地区井水氯离子浓度也会偏高，会对不锈钢有腐蚀。3. 冷却塔水：水温受环境影响较大，由于水的挥发含盐量会远高于补水源，如果处于污染严重区域，水中还会参杂进带灰尘和腐蚀性气体的物质。4. 来自河流和湖泊的地表水：生成水垢的盐的浓度通常相当大，而且它的微生物性会很高，如果水受到污染，水质将更难以保证。5. 城市废水：城市废水可能来自钢厂、炼油厂、化工处理工业、生活废水等，在没
7、有经过处理的情况下，建议不要使用。6. 盐水和海水：氯离子含量很高，可拆板式换热器必须采用钛材质制作。15钎焊板换的选型换热器的选型通常采用选型软件进行钎焊板换 关联式和实验蒸发冷凝两器实验台最大换热量75kW17可 拆 板 式 换 热 器可拆板式换热器结构19可拆板换的应用Parameter最大压力最大温度最大面积最大接管value2.5MPa2504.8 500 mm20波纹型流道内单相湍流流动的数值模型 u 0模型假设： 稳态，3-D，单相流动；质量守恒方程： 2动量守恒方程： uu p u uT u流体为水，壁面温度恒定； kT 3 计算区域为换热器板中心；雷诺数范围： 101 104
8、 u2能量守恒方程： u h2 Eq.TimeModelTypeResearcherReApply SituationNO.consumingCiofaloKho103104-Standard2Initial iterationsGaleazzo931582-No1. Rapidly strained flow2. Swirling flowRNG-22JainTsai400130060017001026000RealizablePlanar and rounded jetsStandardSSTZhang22Low-Re flows-No1. Wall bounded flow2. Tran
9、sitional flowKanaris5006000Complex 3D flows withstrong swirl or rotationRSMLES-72Yes21Ciofalo103104Ye sTransient state边界条件和网格设定入口边界条件的设定ux const.uy 0uz 0Tinlet const.u1I 0.16 Re l 0.07L8Dhuavg出口边界条件的设定poutlet const.壁面边界条件的设定ux 0uy 0ux 0Twall const. 计算网格Tinlet Twall ToutletT wall网格过粗：无法抓住流动特征；网格过细：计算
10、速度无法接受。LMTDTTwallLNinletoutletTwallT 引入无量纲壁面函数 y+周期性边界条件的设定u (x, y, z) u (x, y, z w)u yy xxu (x, y, z) u (x, y, z w)yy对于SST - 模型来说，y+值应为1左右；y+不属于几何结构的定值，随着求解而改变。u (x, y, z) u (x, y, z w)zzp(x, y, z) p(x, y, z w)22网格独立性和无量纲壁面函数量纲壁面函数y+随坐标的变化HTC随网格数目的变化趋势图 当工况和结构确定后，HTC随着网格的增加而增大，最后趋于稳定； y+值集中在1左右，最大值
11、在5左右，即壁面处的网格厚度处于粘性底层，满足湍流模型要求。23数值模型验证- 换热波纹结构运行工况ValueValueb = 2.2 mmTinlet = 320 KCase 1P = 6.25 mm = 60Twall = 310 K2502250b = 3.6 mmTinlet = 320 KCase 2P = 13.25mm = 30Twall = 310 K2502250C m(TT )inletQpoutlethT )A LM TD(Tinlet T ) (TAwalloutlet wallLN(Tinlet T ) (TT )wallwalloutletCp hdekNu Pr
12、k实验数据来自Khan等人：(Re: 500 2500，Pr: 3.5 6.5)Ref：Khan, T. S., Khan, M. S., Chyu, M. C., Ayub, Z. H. Experimental investigation of single phase convective heat transfer coefficient in acorrugated plate heat exchanger for multiple plate configurations. Applied Thermal Engineering. 2010, 30: 1058-1065.24数值模
13、型验证- 压降波纹结构运行工况ValueValueb = 5.0mmTinlet = 320 K12P = 9.0mm = 60Twall = 310 K2502250b = 5.0mmTinlet = 320 KP = 9.0mm = 30Twall = 310 K2502250 pinlet poutlet def 数值模型 V.S. 实验数据数值模型 V.S. 关联式2 LG2(实验数据来自Muley等人：Re: 600 10000，Pr: 2 6)Ref： Muley, A., Manglik, R. M. Experimental study of turbulent flow he
14、at transfer and pressure drop in a plate heat exchanger withchevron plates. Journal of Heat Transfer. 1999, 121(1):110-1125波纹型流道结构优化设计方法的开发 AAO方法步骤 建立对象自动模拟方法(PPCD) 建立DOE并进行相应的计算 建立元模型(Meta-model) 评价元模型精度 采用MOGA算法对波纹结构进行优化计算 优化结果的再次验证优化目标：M aximize :M inimize :Subject to :HTCDP/LHTC 5000 W/m K21 kPa
15、/m DP/L 100 kPa/m26参数化和自动数值仿真方法开发B1_ max B1_ minB1_Thickness B1_ max 45oC1growC B 1 BMOGA2maxB1_ max1BNBgrowFluent solvermingrowC B 1 B2B1_ minGambit generator1BNBgrowPHE solver b12Bmax bSinr 44 4Post processer 12bB bSinr Tan minmin444180Input parameters: b, , , mJournal fileOutputGambitFluentMesh a
16、uto generationC# codes27实验设计和抽样bVariablesLower limit3.0 mm20Upper limit6.0 mm70dePu5.0 mm0.05 m/s38.0 mm0.8 m/s28元模型的建立和评价21nyiy iRRM SEnyii1yy iRMAE maxiyiny y i1MAPE inyii1XMAS 100%Yy iyi(1 ) (1 )RRMSE (%)RMAE (%)MAPE (%)MAS (%)CorrelationRegressionHTCDP/LHTCDP/LHTCDP/LHTCDP/L(5%)(10%)ExponentialE
17、xponentialExponentialGaussianPoly0Poly1Poly2Poly0Poly1Poly24.182.693.686.253.593.5217.318.9010.357.057.7511.859.279.0052.2522.3025.7966.4726.3724.533.212.113.035.012.422.6811.856.667095755585856092.54013.7922.3813.9510.8511.7715.5911.267.8145Gaussian5529Gaussian75优化算法流程和帕累托优化解AAO DesignsHTCWm-2K-115
18、790DP/LPam-195543473661239RD(HTC)-RD(DP/L)-dePu-mm3.183.206.28degree43.6mm9.539.6019.2m/s0.60.50.1Design#1Design#2Design#3-0.9%+1.9%+0.7%-4.9%-6.7%-8.5%1.251.251.24301418233.5672822.0帕累托优化解验证 验证采用了帕累托优化解中的20个随机解 帕累托优化解精度满足要求：1.8%(HTC)和9.4%(DP/L) 压降普遍预估过高，得到的解偏保守31结 论结论1. 板式换热器属于紧凑型换热器，其换热系数高、体积小、可靠性高，流体在较低雷诺数下即可达到湍流，已经被越来越多的应用到各个领域；2. 板换主要分为钎焊板式换热器、可拆板式换热器，已经半焊和全焊板式换热器；3. 我国的板换事业起步较晚，但是发展速度很快，产品线全面；4. 钎焊板换的耐压高，换热效率更高，被广泛应用于制冷和热泵系统中，以及小型油冷器等方面；5. 可拆板换的换热量大，且方便拆卸清洗，已大量应用于暖通、电力、化工、食品加工和船用设备之中。33谢谢大家，欢迎提问！
