第7章板类传热面强化

中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24第七章板类传热面的强化传热7.1板式换热器•可拆式板式换热器–可清洗–密封性差•焊接式板式换热器–分全焊和半焊•钎焊板式换热器–尺寸较小中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24•波纹板传热面可以从场协同原理的三方面同时强化传热。•世界上第一台板式换热器。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24可拆式板式换热器中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24全焊接式板式换热器中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24激光焊接板式换热器中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24半可拆式板式换热器中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24钎焊板式换热器结构中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24板片正面中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24钎焊板式换热器中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24波纹板的网流通道中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/247.2板翅式换热器与分形锯齿翅片7.2.1板翅式换热器结构•板翅式换热器由芯体、封头和接管组成。•板翅式换热器芯体由隔板、封条和翅片组成，翅片不仅对流体产生扰动，扩展了隔板的传热面积，而且对隔板形成支撑定距作用。•板翅式换热器因其结构紧凑、轻巧、传热效率高的特点被认为是最有发展前途的新型热交换设备之一。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24板翅式换热器中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24•板翅式换热器中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24翅片形式中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24锯齿翅片•锯齿型翅片（off-setfin）是一种传热效果较好，对流体介质的适应性较宽，且承压性能优良的翅片。百页窗翅片中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24•微型燃气轮机回热器，只有一次传热面。•耐高温的不锈钢材料导热系数较低，不适合做翅片（二次表面）。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24•翅片焊接在扁平管上，汽车用散热器•扁平管通常是多孔管，能耐压。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24板翅式换热器的优势与局限•一般紧凑度β≥700m2/m3称为紧凑换热器。板翅式换热器的紧凑度通常在1000~6000m2/m3。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24几种分形图案中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24锯齿翅片(off-setfin)•锯齿型翅片（off-setfin）是一种传热效果较好，对流体介质的适应性较宽，且承压性能优良的翅片。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24不同阶数的分形锯齿翅片s3s2s1123中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24分形锯齿翅片双尺度锯齿翅片中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24分形翅片强化对流传热•分形锯齿翅片低阶大尺度的偏移保证了在流动过程主流流体和近壁滞止流体“角色”不断转换；•而高阶小尺度的偏移量由于与流体边界层厚度的数量级相近，从壁面另一侧来的流体将可能在分段处孔口深入这一侧边界层内部，这对于边界层流体的扰动和更新会起到重要作用，可在流动阻力增加不多的条件下产生较大强化传热作用，这是普通锯齿翅片所不具备的。流体在分形锯齿翅片通道中的分流和汇合中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24强化液膜过程的传热传质•小偏移量的分段孔口和水平沟槽有利于在张力和重力作用下，使喷淋液膜在传热表面良好分布和含蓄，延长逗留时间，不易发生干斑，这对于溴化锂制冷机的蒸发器和吸收器都相当重要。•此外溶液在分形锯齿翅片表面降膜流动时会不断反转液膜，使浓度高、温度低，深藏在液膜内部的具有较强的吸收能力溶液翻转到相界面上来吸收蒸汽，促使暴露的膜表面溶液不断更新，维持较大的吸收势差，使吸收能力增强。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24板翅式换热器风冷侧数值模拟计算域翅片结构0iiux基本控制方程组jijijijxxpuuxipeffiiixTckxTux主流区：标准k-ε湍流模型近壁区：采用壁面函数法中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24•三维六面体单元几何模型•入口设定为速度边界条件•出口设定为压力出口边界条件•翅片表面温度二次曲线分布•上下两个界面设定为对称面边界条件中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24切片截面上的速度分布（单位m/s）中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24切片截面上的温度分布（单位K）中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24翅片表面的温度分布（单位K）中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24切片截面上的湍流强度分布中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24翅片表面上的湍流强度分布中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24翅片表面的换热系数分布(单位W/m2·K)中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24翅片表面的压力分布(单位Pa)中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/247.3板壳式换热器•板壳式换热器由波纹板板束和壳体构成，它是集板式换热器传热效率高、结构紧凑和管壳式换热器适应面宽广优点于一身的新型换热设备。•传热面可以由带2孔的或无孔的波纹板，也可由带2孔的板翅式换热器的芯体以及热板等组成。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24•板壳式溴化锂吸收式制冷机中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/247.3.1冷凝器用同向双尺度波纹板对于凝结过程，小波纹更有利于减薄液膜，强化凝结侧传热系数；但将影响板内外流体的通流量。为此提出了能兼顾流通面积和强化传热效应的同向双尺度波纹。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/247.3.2交叉双尺度波纹板传热面对于液膜传热传质过程，设计了交叉双尺度波纹板。•相邻板片的大波纹的脊线互相顶靠，形成菱形空间，主要作为布膜液体和蒸气进出传热面的通道，•而沟槽呈水平方向的小波纹则起增强马兰格尼效应，使液膜分布均匀并防止液膜干涸的作用。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig.3ThicknessofthefilmalongtheflowFig.3showsthatthefilmthicknessalongtheflowovertotalplatevarieswiththeperiodicityofthecorrugations;中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig.4DimensionlessvelocityUalongtheflowFig.4showsthatthedimensionlessvelocityUineachlayerofthefilmfluctuatescorrespondingly;中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig.5DimensionlessvelocityUatfirstpitchVelocityvariesconsiderablyatthefirstcorrugationpitch,whichisdetailedinFig.5.中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig.6TemperatureprofileinsolutionfilmFig.6showsthetemperatureprofileinsolutionfilm:Temperatureinouterlayerofthefilmishigherthanthatininnerlayer.reason:theplatewalliscooledbycoolingwater,whiletheliquidnearinterfaceisheatedbylatentheatofsteamabsorbedandthethermalresistanceexistsinthefilm.Temperaturegradientsatbothboundariesarehigherthanthatatthemediumlayer.中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig.7temperatureprofileinsolutionfilmatfirstpitchItcanalsobeseenthatthetemperaturevariesconsiderablyattheverybeginning,whichisdetailedinFig.7.中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig.8ConcentrationprofileinsolutionfilmFig.8showstheconcentrationprofileinsolutionfilm,whichrevealsthatthereisverylittlechangeofconcentrationnearthewallalongtheflow,andtwonearthewallcurvesalmostcoincideeachother.Mostmasstransfertakesplaceintheouterlayerofthefilm.中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig10Sketchofabsorptiontestdeviceproper中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig11Sketchofaplatecouplewith2-scalecrosswisecorrugations(inpart)中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24Fig5heattransfercoefficientFig6masstransfercoefficientversussolutionsprinkleversussolutionsprinkle中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/247.4膜反转吸收过程模拟•对溴化锂溶液降膜吸收过程表明，沿着液膜向下流动的方向，液膜外层温度较高而溶液质量分数逐步降低；液膜内层则是温度逐步降低而溶液质量分数变化很小，即外层冷不下，内层稀不了，此时若能将液膜反转就可有效改善传热传质。•2003年MdRIslam,etal.提出了2种液膜反转方案(如图)，一种为板式，一种为管式。•崔晓钰等在之基础上也提出了一种由矩形管组成的板式膜反转降膜吸收器的方案。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24液膜反转•Islam,etaldesignedfilminversionschemesOnlyhalfofareaisusedtoconfigurefilminversionwfsfs:t↑,ξ↓w:t↓,ξ-中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/24交叉双尺度波纹板上的双面液膜反转bottomplatebundlesupperplatebundlesconjunctionguidersleftrightrightleftAfterinversion,coolerandricherLiBrsolutionfilmlayerexposestothesteam,whilebothsidesusedCombinedenhancement:corrugation&filminversion中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/5/