集中供热用非对称板式换热器结构优化及特性研究

【摘要】：板式换热器是一种经典的高效换热设备,由于其具有换热效率高、结构紧凑等优点,在城市集中供热领域得到了广泛的应用。在集中供热运行工况中,一次网供回水温差为50℃左右,二次网为25℃左右,一次侧与二次侧之间供回水温差差别较大,导致板片两侧的流量、进出口压降均产生较大差异,传统的板式换热器两侧完全对称的结构设计对于此类非对称工况无法充分发挥传热性能。为此,国内外学者研发出具有两种宽窄不同流道的非对称板式换热器,其结构能与实际工况达到良好匹配,提高了换热器的整体性能。目前,针对非对称板式换热器结构特点和优化设计的相关研究仍然缺乏。本文以表面具有大小正弦波纹的非对称板式换热器为研究对象,结合其结构特点,理论解析了非对称波纹板片的参数化设计;在此基础上,建立了6种不同非对称性的板式换热器三维双通道计算模型;采用数值模拟的方法,研究对比了在不同流量下各非对称板式换热器的流动换热性能,并分析了综合换热性能和经济效益,为非对称板式换热器的优化设计和选型提供了思路。首先,以非对称板式换热器两侧流道截面积的比值表征流道截面的特性,定义为非对称因子a,并对板片波纹的轮廓曲线进行参数化处理,得到板片波纹轮廓曲线的函数表达式。根据集中供热实际工况,通过调整板片波纹参数建立不同非对称因子a的换热器板片。其次,通过数值模拟研究了非对称因子a和入口流量对非对称板式换热器内部流动与换热特性的影响。结果表明:随着非对称因子a的增大,热流体侧平均换热系数逐渐增大,相反冷侧减小,但是对于总换热系数而言,除a为3.0的板片由于有效接触面积小导致换热效果较差外,其余非对称结构的传热性能并未产生明显差异,且传热性能随着流量的增大均逐渐提高。非对称因子a的变化改变了两侧流道的压降分布,随着非对称因子a的增大,非对称板换热侧压降逐渐增大,冷侧压降减小。冷热两侧压降随着流量增大均呈现指数增长的趋势,而随着a增大,热侧压降增长趋势越来越大,相反冷侧压降增长趋势逐渐平缓。研究表明,非对称板片减小了非对称工况下冷热两侧压力分布的差异,且大流量侧得益于流道触点的减少,阻力明显降低,可达60%左右。最后,对非对称板式换热器的综合性能进行了分析,引入了经典的传热评价指标综合传热性能因子对不同非对称因子a时换热器的综合性能进行对比分析,发现在不等流量工况下,非对称板式换热器在保证总体换热性能的情况下,冷侧降阻明显,其综合性能明显优于对称式板换,可提高6.6%～28.7%。在所选取的不同非对称结构中,a为2.5的板片对于集中供热工况表现出更出色的综合传热性能。采用能量系数作为能耗评价指标,对不同非对称板换进行能耗分析,发现相同流量下,非对称板式换热器的能耗表现均要优于对称式板换,且随着流量的增大非对称板换的节能优势进一步扩大。非对称板片中a为1.5的节能表现更加突出。此外,本文还基于技术经济学原理,采用费用现值动态评价分析作为经济性能评价指标对非对称板式换热器的经济性进行了分析评价。结果表明,随着总流量的增大,板片面积减少,初投资降低,但是总费用却呈指数型增长趋势。相同流量下,相较传统对称式板换,非对称板式换热器的经济性优势十分明显(q_(m1)=0.1kg/s时总投资可节省18%),低流量(q_(m1)=0.1kg/s)时,a为2.5的非对称板换的经济性最优,而a为1.5的非对称板换在较高流速工况下表现的经济性则更为出色。