技术分享：板式换热器流动阻力计算与优化

板式换热器以其高效、紧凑、灵活等优点被广泛应用于工业生产和民用领域。但换热器流道狭窄、流速较高,导致流动阻力不可忽视。本文分析了板式换热器的流动阻力类型及其影响因素,重点介绍了几种典型板式换热器的阻力计算方法。

（示意图，不对应文中任何具体信息）
1 引言板式换热器是由一系列片状金属板片叠置密封而成的新型高效换热设备。与传统的壳管式换热器相比,板式换热器换热系数高、结构紧凑、易于拆洗维护,因此被越来越多地推广应用[1]。
但受限于板片强度和密封要求,板间流道宽度较小,一般仅为2~5mm。介质在狭窄的波纹流道内流动,摩擦阻力和局部阻力显著,造成较大的压力损失[2]。尤其是在高黏度、高流速工况下,流动阻力带来的泵功耗不容小觑。因此,掌握板式换热器流动阻力的特点和计算方法,采取有效措施降低阻力,在满足传热性能的同时降低运行成本,对于板式换热器的工业应用至关重要。
2 流动阻力类型与影响因素2.1 流动阻力类型板式换热器的流动阻力可分为三类1)沿程阻力,即流体在板间流道内流动时,与板壁发生摩擦而导致的压力损失;(2)局部阻力,主要包括进出口以及连接管处的压力损失,这是由流道截面突变引起的;(3)重力阻力,即流体克服自身重力所消耗的能量,与板片倾角、设备高度等有关[3]。在工程计算中,前两项占主导,重力阻力一般可忽略不计。
2.2 影响因素影响板式换热器流动阻力的因素很多,既有流体自身的物性参数,也有换热器的结构特征参数。具体包括1)流体黏度。流体黏度越大,摩擦阻力越大;(2)流体密度。密度越大,惯性力越大,局部阻力越大;(3)流速。流速是影响阻力的最主要因素,流速越高,阻力越大且呈二次方关系;(4)流道当量直径。流道越窄,换热强化效果越好,但流速增大,摩擦阻力也随之上升;(5)波纹角度。波纹角度影响流体的紊流强度,进而影响局部阻力系数;(6)进出口直径。进出口直径与流道当量直径的比值影响收缩扩张阻力[4]。因此,分析板式换热器阻力时,应系统权衡流体物性和几何结构的影响。

3 流动阻力计算方法3.1 板翅式换热器板翅式换热器是一种常见的板式换热器,以其高紧凑度和高传热系数而备受青睐。由于板翅式换热器流道狭长,沿程阻力占主导。经典的Kays-London方法基于大量实验数据,针对不同翅片类型给出了阻力系数f与雷诺数Re的关联式[5]:f=a·Re^b式中,a、b为与翅片形状和排列有关的经验系数。该方法简单实用,但系数a、b的取值需查阅大量图表,不便于编程实现。考虑到紧凑式换热器的高度非均匀性,一些学者提出了修正的关联式。如Shah在总结前人经验的基础上,提出了适用于多种翅片的f-Re关联式[6]:f=c1/Re^c2+c3
式中,c1、c2、c3为修正系数,与流道当量直径、流体物性等参数有关。该方法计算精度高,适用范围广,在工程设计中得到推广应用。
3.2 螺旋板式换热器螺旋板式换热器流道呈螺旋状,流体在径向和轴向同时流动,流动行为更为复杂。螺旋流道可简化为一系列同心环状流道,各环状流道之间存在径向泄漏。Minton在此基础上,推导出了螺旋板式换热器的沿程阻力系数计算公式[7]:f=24/Re[1+0.
3.3 可拆式板式换热器可拆式板式换热器采用橡胶垫片密封,便于拆洗。其板间呈人字形波纹流道,**增强了流体紊流,局部阻力不可忽视。Kumar给出了考虑进出口压力损失的阻力系数计算公式[10]:f=(2ΔP·De)/(ρv^2·L)+Kp·v^2/(2Dh)式中,ΔP为板间总压降,Kp为局部阻力系数,L为流动长度,Dh为流道当量直径。Focke等人通过实验研究了波纹角度β对局部阻力系数的影响,拟合出局部阻力系数Kp与β的关系式[11]:Kp=986.2β^(-2.611)
上述公式综合考虑了沿程阻力和局部阻力,适用于人字形波纹板式换热器。对于其他波纹形式,如梯形、矩形等,还需进一步修正。
3.4 数值模拟方法传统的阻力计算多依赖于实验关联式,但关联式的适用范围有限,且无法深入分析速度场、压力场的分布特征。近年来,计算流体动力学(CFD)方法被引入板式换热器的流动特性研究。通过求解N-S方程,可获得流道内详细的流场信息,并进一步计算得到阻力系数[12]。李雪松等采用CFD方法模拟了螺旋板式换热器的三维流动换热过程,获得了不同雷诺数下的流动阻力系数,与实验值吻合良好[13]。张瑞璞等运用流体体积法对人字形板式换热器的流动进行了数值模拟,揭示了边界层分离和再附对流动阻力的影响规律[14]。CFD方法可视化了板间流场的精细结构,有助于开展针对性的优化设计。

4 降低流动阻力的方法在保证换热量的前提下,降低流动阻力可以起到事半功倍的效果。综合已有研究成果,提出以下几种优化措施:
（1）优化波纹角度和深度。
波纹角度β是影响流动阻力的关键参数。β过大,紊流度高,局部阻力增大;β过小,紊流强化效果差,传热恶化[15]。应在传热与阻力间权衡,寻求最佳折中。板波纹深度也存在最优值,一般取波长的1/8~1/4为宜。
（2）采用多通道设计。
传统的单通道流动阻力大,泵功耗高。采用多通道并联可明显降低流速,从而降低沿程阻力[16]。王晶晶等设计了三通道板式换热器,在总流量一定时,三通道换热器的流动阻力系数比单通道降低了50%以上[17]。
(3)合理掺混高低黏度介质。
当高黏度介质与低黏度介质换热时,可将低黏度介质布置在狭窄流道侧,减小流动阻力[18]。姚嘉等研究表明,合理掺混10%低黏度水后,高黏度原油在板式换热器中的压降可降低30%左右[19]。
(4)优化进出口速度分布。
进出口速度分布不均会造成局部阻力增大。张永等采用数值模拟方法优化了板式换热器进口流道的速度分布,使进口段压降降低了15%[20]。郑楠等通过合理设置导流板,改善了出口段速度分布,使局部阻力系数降低了20%[21]。
(5)匹配流量与流道尺寸。
在换热器设计时,应合理匹配流量与流道尺寸。过高的流量虽然强化了换热,但也带来了巨大的流动阻力。应在满足工艺需求的基础上,适当降低流量,放宽流道尺寸。姚军等通过优化螺旋板式换热器的流量和流道宽度,在换热量不减的情况下,使压降降低了30%[22]。

板式换热器因其高效、紧凑和灵活的特点而广泛应用。然而，由于板间流道狭窄、流速较高，流动阻力较大，这对泵的功耗影响显著。了解和计算板式换热器的流动阻力及其优化方法，是确保设备有效运行并降低运行成本的关键。通过优化波纹角度、采用多通道设计、合理掺混不同黏度介质、优化进出口速度分布、以及匹配流量与流道尺寸等策略，可以有效减少流动阻力，从而提高整体效率。
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