技术：板式换热器结构参数优化设计！

       在影响板式换热器换热效果的因素中，波纹倾角、波纹间距和波纹深度是3个关键的几何参数。根据均匀设计的思想，本文建立了3因素16水平的设计方案，利用Fluent软件进行数值计算，最终得到了最优参数，此时水侧换热和压降性能达到最佳状态，综合传热性能因子达到最大值。

1、板式换热器的优化设计

1.1  数值模型   

由于板式换热器板片堆叠结构具有周期性和重复性，为了提高工作效率，建立如图1所示的简化数值模型。该模型由上下两个板片组成，形成多个周期性流道。文献[1]  指出经过3~5个基本单元，板间流动达到充分发展。

该模型由速度入口、压力出口、恒温无滑移绝热换热壁面和周期性边界组成。入口速度恒定且垂直于入口平面；出口压力设为表压，且考虑回流温度；周期性边界压力和速度场均相同。

1.2  板式换热器性能影响因素分析   

均匀设计考察的因素为波纹倾角β、波纹深度b、波纹间距P，每个因素设16个水平。因为均匀设计表列间有相关性，均匀设计使用表U_n(q^s)最多只能安排[s/2]+1个因素^[2]；其中U表示均匀设计，n表示试验次数，q表示每个因素具有的水平数量，s表示该表有s列，[x]表示不超过x的最大整数，即U₆(6⁶)最多可安排4个因素的试验。

 1.3  数据处理   

单相换热量计算公式按照式(1)~(2)计算，其中流量和进出口温度，直接从模拟结果读取出来，摩擦阻力系数计算公式如式(3)所示：

2、数据回归分析与优化方案确定

2.1  数据回归分析   

由式(7)~(9)可知，由于波纹倾角β增加，流体流动由十字交叉流发展为曲折流，增加了流体的扰动，从而使换热系数增加。同时由于波纹倾角的增加，触点分布密度呈现先增大后减小的趋势，触点密度的变化会导致流体的流态发生扰动，从而增强触点周围的湍流强度，同时压降损失也会增大；间距P增加，换热系数降低，原因是当间距增加时，流体流动更加顺畅，扰动程度降低，此时压降也会降低。而波纹深度b通过改变流道内流体的漩涡混合程度及涡旋区的大小来影响换热阻力性能。

2.2  最优化方案及验证

    当综合传热性能因子ψ达到最大值时，表明换热器的换热性能良好。则问题转换为：当β、b和P取值范围为本文研究的范围内时，对式(9)进行最大值求解。计算结果表明，当β=110°、P=5.7 mm和b=3.2 mm时，综合传热性能因子达到最大值ψ₁=140.37。

为了进一步验证回归方程中ψ₁的正确性，对于得到的最优波纹板结构参数通过Fluent14.0进行数值计算，数值计算的试验工况与上述16次试验时的工况条件一致，得到验证综合传热性能因子y₂为137.49。通过对比可以看出，数值验证得到的y₂值与回归方程计算得到的y₁值极为接近，误差为2%。

3、结论

本文介绍了板式换热器波纹结构优化的研究方法，利用均匀设计拟定数值模拟的方案。在参数取值范围内，通过回归分析得到了一组最优参数；当波纹倾角为110°、波纹间距为5.7 mm、波纹深度为3.2 mm时，综合传热性能因子取得最大值，说明此时换热器的换热性能较好，对工程实践有理论指导意义。

参考文献：

[1]      ZHANG L Z. Numerical study of periodically fully developedflow and heat transfer in cross-corrugated triangular channels in transitionalflow regime[J]. Numerical Heat Transfer, 2005, 48(4): 387-405.

[2]      张如许, 魏文建, 胡海涛, 等. 单相流体在点波板式换热器内流动与换热的数值模拟[J]. 制冷技术, 2014, 34(5): 6-12.

[3]      方开泰. 均匀设计及其应用(二)[J]. 数理统计与管理, 1994, 13(2): 59-61.

[4]      黄莉. 板式换热器波纹参数优化的数值模拟试验研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2010.

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