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板式换热器由于高效的换热性能、紧凑的结构，已经成为一种很重要的换热器。近年来对于板式换热器的研究、结构的改进使得板式换热器的应用范围也越来越广泛。本文基于钎焊式板式换热器，研究板式换热器的换热和压降关联式形式，建立了板式换热器单流道CFD仿真计算模型，并通过和已有实验数据对比验证了该模型的精确性。并基于实验数据，通过关联式修正，开发了换热系数和摩擦系数关联式；换热系数关联式计算值与实验值之间的平均误差为3.5%；摩擦系数关联式计算值与实验值之间的平均误差5.9%。而且提出了包括制冷剂为R410A的具体拟合结果及误差分析。对于板式换热器的研究，以及制冷系统仿真计算有一定的指导和参考价值。
钎焊板式换热器是一系列具有一定波纹形状的金属片叠装后再真空钎焊炉内焊接而成的一种新型高效换热器。它与常规的管壳式换热器相比，有更明显的优势，如：在相同流动阻力或泵功率消耗情况下其传热系数高出很多；在最好的工况下，水侧换热系数式管壳式换热器的3~5倍等。因此，在部分领域上，钎焊板式换热器正逐渐取代管壳式换热器。从应用领域来讲，单相领域已经比较成熟，目前的发展主要是如何降低成本。两相流的应用是研究和竞争的热点。近年来，很多学者对板式换热器进行了实验研究，建立了相关的计算公式。这些公式主要以实验为基础得到的，适用于特定的板型。本文在此基础上，对钎焊板式换热器传热性能与流动阻力做一些初步的研究探测。利用已构建的钎焊板式换热器CFD模型模拟得到，钎焊板式换热器水侧换热系数和摩擦压降计算关联式，通过蒸发器实验，基于实验数据建立了钎焊板式换热器蒸发换热和压降计算关联式。实验系统由制冷系统、水系统、数据采集和待测板式换热器4个部分组成，实验台采用的是压缩机和节流阀来进行系统的压力和流量控制。系统流程图如图1所示，制冷系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流元件构成。除此四大部件外，制冷系统还包括汽液分离器、油分离器、干燥过滤器、辅助冷凝器、视液镜、止回阀、缓冲罐、后置蒸发器等；水系统包括冷却水塔、冷水箱、电加热器、水泵等；测量控制系统包括传感器、控制、数据采集与显示。本实验台的优势在于增加了辅助冷凝器、过冷器、后置蒸发器和辅助蒸发器来保证进入测试换热器的制冷剂过冷，以及进入压缩机的制冷剂过热，这提高了本实验台的测量精度以及对压缩机使用寿命的维护。测试换热器为江苏唯益换热器股份有限公司生产的B3-050S型板式换热器，其板片的具体参数见表1所示。实验回路由主回路和旁通回路组成，主回路为制冷剂的主要流动通道，旁通回路用于控制流入主回路制冷剂的流量，起到分担主回路制冷剂流量的作用。实验时水由冷水箱流入测试换热器，换热后再流入冷水箱，依次循环；制冷系统的主回路较为复杂，R410a经压缩机进入油分离器，流经辅助冷凝器、缓冲罐、干燥过滤器、视液镜、质量流量计、过冷器等，进入测试换热器蒸发换热后，流入后置蒸发器、汽液分离器，再次流入压缩机，依次循环。水侧换热系数可由式(1)计算得到，而式(1)中参数m，n 可通过数值仿真计算确定。水流量通过电磁流量计测量，精度为被测流量最大量程的1%，流量调节通过电磁比例阀实现。温度测量采用Pt100 热电阻进行测量，其精度为0.1 ℃。冷侧和热侧进出口压差通过压差变送器获得，其精度为压力最大量程的1%。A/D 转换器的精度为0.01%。总传热系数误差包括仪表精度误差和数据回归带来的误差，通过对误差的分析计算得出总传热系数的最大误差为6.13%，同时本测试系统的温度、压力与流量测量的相对误差均在10%以内。本文采用数值模拟的方法模拟研究了B3-050S板式换热器水-水换热时的换热和压降特性，基于模拟结果拟合得到水侧换热系数和摩擦系数计算关联式。根据KHAN 等进行的单相对流换热实验所使用的板式换热器板片结构尺寸，通过Gambit 2.4.6软件建立了相应的CFD仿真模型，水侧的单个流道仿真模型如图2 所示。利用Fluent 14.0 软件仿真模拟了板式换热器水侧换热和压降特性，CFD模型计算值与文献中实验点之间的精度对比如图3 所示，可以看出，CFD模型仿真结果与文献实验点具有较高的吻合性，误差在±5%以内，这说明建立的单流道CFD 仿真模型对于模拟计算板式换热器水侧换热和压降特性是可行的。由表1 建立B3-050S 板式热器单流道仿真模型，通过Fluent 14.0 软件模拟计算了B3-050S 换热和压降性能，从而拟合得到测试换热器水侧努塞尔数和摩擦系数关联式。数值模拟相比于实验所得的关联式而言，虽然精度上不如关联式高，但其应用的范围更加广泛，只要湍流或层流模型选择正确、网格划分足够细致，数值模拟的方法可以适用于任何点波板片结构、很大范围的雷诺数下流道内的流动和换热的预测[9]。仿真计算值与关联式计算值之间的精度对比如图4 和图5 所示，误差主要在±5%线之内，仅个别点的误差稍大，但也小于15%，努赛尔数之间的平均误差为3.7%，摩擦系数之间的平均误差为4.5%，说明计算关联式的拟合精度较好，式(8)和式(9)可用于测试换热器蒸发换热和压降特性的计算分析。蒸发换热包括对流换热和核沸腾换热。板式蒸发器蒸发换热过程较为复杂，影响蒸发换热性能的因素较多。板式换热器应用于两相蒸发换热研究较少，并且已有的模型应用有很大的局限性，大多是针对管内流动或竖直壁流动的换热模型[10]。本文通过比较已有的几种蒸发换热模型，参考已有的模型，找到影响蒸发换热的因素，然后结合板式换热器的结构以及实验所得数据，提出适用于板式换热器两相蒸发的换热模型，部分实验数据如表2 所示。通过实验数据验证和分析，文献[11-13]中提出的模型（如表3）应用都有其局限性，但可考虑其作为半经验模型，如表4 所示。并通过实验数据拟合得到各模型参数，如表5 所示。由下图6 可见，YAN 和LIN 模型[11]离散度较大，大多数点的计算误差超出了±5%的范围，平均误差达到了16.2%。事实上，该模型所得的数据范围为热流密度小于11 kW/m2，而本文的实验数据并不是全部在这个范围之内。HSIEH 和LIN 模型[12]的离散度比较大，因为该模型没有充分考虑到蒸发压力的影响。KHAN 和AYUB 模型[13]的计算误差有所减小，该模型对实验数据之间的拟合精度较好，但有些点的误差仍然较大。通过对上面计算模型的分析比较可知KHAN 和AYUB 模型[13]更能较好地描述蒸发换热特性，在以上各模型的基础上，在此提出了适用于板式蒸发器的换热模型，该模型具有很好的拟合精度，并能够较好的应用于该系列其他型号的板式换热器中：通过最小二乘法，回归得到a1=392.6，a2=0.386，a3=1.095，a4=4.6。实验值与关联式计算值精度对比如图7 所示，实验值与计算值误差大部分在±5%线之内，仅有个别点误差稍大，但也小于10%，平均误差为3.5%。式(10)考虑了多种因素的综合作用，在很难划分换热区间和换热状态时，这样考虑是很有必要的。由于不同的进出口干度制冷剂的热物性有很大差别，式(10)考虑了进出口干度差对换热的影响；同时，式(10)考虑了蒸发压力对换热性能的影响，为了保证引入的压力修正无量纲，采用Po/Pcr，其中Pcr为R22 的临界压力；最后，考虑了热流密度的干扰，引入了等效沸腾数的修正。两相流与单相流相比，由于气相混入引起液相增速，气相流滑动速度对液膜造成湍流效应等因素的影响，使得两相流的摩擦阻力大于单相流，同时影响因素也大大增加，导致两相流内部流动状态更为复杂。在两相流的压降计算过程中，由于气液密度及气液含量的不同，以及气液间的相互使得流动阻力除了摩擦压降和局部压降外，还包括了加速压降和重力压降。一般地，摩擦压降占总压降的大部分，加速压降和重力压降相对于摩擦压降和局部压降很小，可以考虑忽略。误差分析如图8 所示，该模型离散度较小，误差主要在±10%线以内，最大误差14.3%，平均误差5.9%。（1）针对R410A在板式换热器内换热的情况进行研究，建立板式换热器水侧换热与压降CFD 计算模型，且验证了该模型的正确性，并在仿真结果的基础上确定了板式换热器水侧换热和压降关联式，并且可用于板式换热器蒸发换热和压降特性的实验分析。（2）影响板式换热器蒸发换热的因素有很多，主要有制冷剂R410A质量流量、蒸发温度、热流量、热流密度、进出口平均干度、蒸发压力，板式换热器两相换热很难形成比较通用的计算关联式，由于实验条件和板片结构的差异，直接采用文献中的计算模型有很大的局限性。（3）获得可靠准确的两相换热数据是建立模型的基础，本文采取修正关联式的方法提出了蒸发换热计算模型，基于实验数据拟合得到计算关联式，换热系数计算模型平均误差3.7%，摩擦系数计算模型最大误差14.1%，平均误差5.1%。版权声明：本文内容由江苏唯益换热器股份有限公司所创，作者为张旭，吴经纬，朱益平，孟江波，授权制冷空调换热器技术联盟发布，由制冷空调换热器技术联盟编辑整理，转载请注明来源。
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