复合流道板式换热器强化传热机理的研究

Plate heat exchanger is a kind of heat exchanger with high heat transfer coefficient and pressure drop. The complex flow patterns and mechanics of enhancement of heat transfer in plate heat exchangers with compound flow channels will be studied.Turbulent flow and heat transfer will be numerically simulated using large eddy simulation and PIV/LIF will be uesd to measure the flow field and temperature simultaneously. Comparation between the numeric results and measured ones will be conducted and the therotical models will be verified and improved therefore.The characteristics of the momentum boundary layer, thermal boundary layer, turbulent kinetics and dissipation in different compound flow channels will be analysed. The effects of these varialbes on the enhanced heat transfer will be deduced.The relations of averager Nusselt number and friction factor with these variables will be obtained. The mechanics of enhancement of heat transfer in plate heat exchangers will be used to improve the coefficient of heat transfer, while keeping the pressure drop in a reasonable level to ensure better performance of heat transfer. This study is helpful to the optimal design of plate heat exchangers and energy conservation in the process industry.

板式换热器的传热系数较高，但压降较大。本课题拟采用不同波形参数的复合板片构建复合流道，对其内部复杂流型及强化传热机理进行研究。运用大涡模拟方法数值预测复合流道内部的湍流与传热过程；采用PIV/LIF方法同时测量复合流道中温度和速度分布。对比速度、温度、压力的数值结果与实验测量值。对理论模型进行验证与改进；综合理论研究与实验结果，分析不同复合板片组合条件下，动量边界层、热边界层、湍流动能与耗散等特征。总结其对强化传热性能的影响规律，构建具备和平均Nu数、摩擦因子与上述参数的定量关联式。通过对板式换热器复合流道强化传热机理的揭示，期望在提高板式换热器传热系数的同时，有效控制压降，以获得较好的综合强化传热性能。本课题对指导板式换热器的优化设计、促进流程工业的节能技术升级具有一定的学术价值与实际意义。

板式换热器在过程工业的应用广泛（仅次于管壳式换热器的）。板式换热器的传热系数较高，但压降较大，强化板式换热器的传热，合理降低压降对过程工业的节能有重要意义。近年来，尽管国内的板式换热器产值每年在50亿元以上，但以仿制国外产品为主，研究工作多局限在不同人字板式换热器板片波纹倾角下的流型，回归出压降和传热系数与波纹倾角的经验关系为主，缺乏对该换热器传热过程的深入认识。.本课题以不同波形参数的复合板片换热器为研究对象，对其内部复杂流型及强化传热机理进行研究。采用大涡模拟研究与PIV/LIF方法测量相结合复合流道内部的湍流流动与传热过程，分析不同复合板片组合条件下，边界层的速度、旋涡和湍流特征及其向主流输送的过程。揭示了板片波纹参数对流道内流动和传热影响的机理问题。通过分析流道间传热面的热通量分布、流道的几何形状与边界层流动的相互关系，找到了提高热通量、降低流道内流动阻力，从而强化该换热器综合传热性能方法。用该方法优化板片的几何参数，能既提高换热器的传热系数，又降低压降。这一理论发现能够将板式换热器的传热系数提高10%，压降降低10%，对于提高板式换热器的传热性能、流程工业的节能有重要工程意义。