多孔平板换热技术与污水余热回收利用系统研究外文翻译资料

 2022-06-15 23:30:14

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摘要

这项研究介绍了板式换热器在理论和应用上的进展。它着重于能源处理和保护领域各种技术研究和开发的方向。选定的区域传热性能和压降特性，一般模型和计算相位的变化；沸腾和冷凝，结垢和腐蚀，焊接式板式换热器以及其他相关领域。

关键词

换热器

一般型板式号

热性能和液压性能

两个阶段

污垢

缩合

评论

  1. 介绍

由于以下几个原因，板式换热器（PHE）现在广泛用于各种化学工艺和其他工业应用中，特别受到食品工业的关注：卫生应用的适应性，易清洁性和热控制杀菌和巴士灭菌。此外，PHEs具有出色的传热特性，与传统的管壳式换热器相比，可实现更紧凑的设计，并且在很小的空间体积下具有非常大的表面积，并可通过增加或减少所需的数量而适应不同的要求。凭借这些优势，随着材料技术在衬垫或石墨板材的新型耐温和耐压材料形式方面的进步，现在可以适当地将这类换热器用于功率和化学工艺。

尽管板式换热器主要用于需要均匀和快速加热或冷却的液体-液体传热作业。但是，在用于工厂能源转换的蒸发和冷凝关税中使用PHEs有增加的趋势。

另一方面，PHEs的主要缺点是其最大工作压力限制在20.4巴，工作湿度达到约150°C的工作范围受到限制。这些操作条件可以扩展到约40.8巴和800°C的薄片型PHE，其不具有衬垫板单元的柔性。

板式换热器可以采用垫片式。焊接式或模块式焊接设计制造，其特点是密封两种热交换介质的流道。根据热交换器的类型，各个板通过放置在圆周凹槽中的垫圈或通过焊接相对于彼此密封。

板式换热器可以采用垫片式。焊接式或模块式焊接设计制造，其特点是密封两种热交换介质的流道。根据热交换器的类型，各个板通过放置在圆周凹槽中的垫圈或者焊接相对于彼此密封。

板式换热器首先在[1]，并且在文献中有各种设计方面的综合汇编资料[2-7]。

这次审查的主要目的是突出显示影响板式换热器特别是在工业部门的性能的最新进展。作为工业应用，卡尔森[8]评估了从地热资源获取热量的住宅水暖散热器加热系统中板式换热器的性能。最近的实验和数值工作分析了用于汽车工业的油/水板式换热器中的能量效率[10]。在不降低热工水利性能的情况下，小型换热器对于工业应用至关重要[11]。紧凑性的提高是精心设计的肋条角度下更具有竞争力的表面形状所带来的重要问题[12]。在工业换热器中使用纳米流体作为冷却剂似乎不合格[13]。迄今为止唯一的缺点是纳米颗粒悬浮液的高价格和可能的不稳定性[14]。

2.热力学和流体力学特性

Bassiouny提出了早期有关板式布置对流量分配和压降影响的文献[15.16]。另一方面，Thonon和Mercier[17.18]提出了一种用于板式换热器上浆的整体设计方法。该方法基于温度焓图，并且引入了考虑单项和两相流的流动分布不均匀效应的模型[19]。流量分布不均的影响通过一般热模型在有效性-Ntu和LMTD关系方面呈现。

Rao等人[20]详细介绍了流量分布不均匀的影响，并提出了大量的参数研究。其中包括热容量比率，流量配置，通道配置和传热关系等。此外，实验还显示了压降对流量分派不均的影响[21]。使用正电子发射粒子追踪（PEPT）的无创技术来研究板式换热器中的流动模式[22]。最近，蔡等人[23]研究了板式换热器的两个交叉波纹通道中的流体动力特性和流动分布。Gherasim等人解决了耗散和温度依赖性粘度对有效性计算的影响。[24]

马丁[25]开发了广义 Leacute;vecirc;que方程- 一个理论方程-来预测板式换热器的热性能。另外，Dovic等人[26]发展了用于预测传热的压降的广义相关性，通过获得完全发展的层流或湍流通道流中的传热系数来预测人字形板式换热器的性能。杜马和科拉迪尼[27]分析了在民用应用中通常使用的温度范围内流体膜的热阻，温度分布曲线和焓效率的影响。Ciofalo[28]探讨沿分割壁的纵向热传导的影响，并表明它可以提高交换器的性能。

2.1。 板类型和配置的影响

在不同的人字形板上进行了广泛的实验研究。以研究由参数变化引起的效应，例如;间距，振幅和V形角。这是为了了解它们对传热和流动模式的影响[29,30]。通过使用不同的人字形板布置来呈现单通U型逆流PHE和低雷诺数流动中的单相水流的传热和等温压降数据: beta;=30的两个对称板布置°/30°和60°/60°，以及一个beta;=30°/60°的混合板布局。此外，还说明了V形角beta;在这三种不同平板布置中的影响。概述了波纹方面，比率gamma;和流动条件对努塞尔数（Nu）和摩擦系数（f）特性的影响[31-38]。

研究了在板上压花的波纹的尺寸（即高度和间距）以及波纹相对于主流方向对交换器传热性能的取向[39]。 Charre等人[40]提出了一个基于多孔介质理论的一般传热和压降模型，并包含了板的几何参数的影响。设计了一种新型波纹板，与传统的人字形相比呢，新型波纹PHE的工作液流动阻力降低了50%以上[41]。通过交叉波纹人字形板式换热器（PHE）牛顿流体和幂律流体的层流根据通道的几何形状进行了数值研究 [42]。

Chang等人研究了多通道板式热交换器（MPHEs）的U形转弯区域的沟槽的影响。设计了一种新型波纹板，与传统的人字形相比。新型波纹PHE的工作液流动阻力降低了50%以上[41]。通过交叉波纹人字形板式换热器（PHE）牛顿流体和幂律流体的层流根据通道的几何形状进行了数值研究[42]。

Chang等人研究了多通道板式热交换器（MCPHEs）的U形转弯区域的沟槽的影响。[43]使用亚力克板。有凹陷的盘子[44]旨在增强传热和减少结垢。各种形状的肋粗糙表面，不同的肋间距和肋条布置被应用于管道的较宽的整以增强板式热交换器中的热传递[45]。

Pinto和Gut[46]和Gut[47,48]开发了确定垫片式板式换热器的最佳配置的优化方法，其目的是选择具有最小传热面积的仍然满足通道数量限制的配置，流体，通道流速和交换热效率。Kanaris等人提出了一种用波浪表面优化设计的一般方法。[49]和Arsenyeva等。[50]。最近，火用分析被列为设计程序中的重要变量[51,52]。

2.2。 一般程序计算

开发了板式换热器的通用计算程序和有用的图表[53]就换热单元的数量(Ntu)和热容量比率（R）而言，对于150个板式换热器配置，这些交换器根据通道数量，每种流体的通过次数和流量安排进行分类。提出了选择适当板式换热器配置的具体指导原则。赖特和赫格斯[54,55]计算了单流二流板式换热器（PHE）在一个流体发生相变时的有效性：特别是冷凝，并且假设在并流或逆流装置下运行时的总传热系数恒定，则为系统提供解析解。作者还将他们的分析扩展到整个传热相关性取决于相变流的质量的系统。最近，林等人。[56]使用白金汉Pi定理来表征板式换热器中波纹通道的传热性质。

2.3. 传热系数测量

瞬态和电化学质量传递技术被广泛用于测量换热器中的传热系统，另外构建流态图是另一种测量HTC的有用方法。Roetzel[57]采用温度振荡技术对板式换热器的热参数进行了实验评估，并采用轴向扩散的数学模型分别评估了传热单元数（Ntu）和Peclet数的传热系数和扩散系数。

Ros等人[58]应用瞬态技术测量液体和波纹板之间的整体热交换系数，并通过惰性示踪剂实验获得的等效流型模拟流体流动。作者使用频率响应来估计流体和固体之间的传热系数。夸里尼等人。[59]说明了APV和初级paraflow板式换热器的局部传热特性。Heggs等人。[60]和Heggs和Walton[61]采用电化学传质技术计算波纹板式换热器通道内局部传热系数的数值，其有限雷诺数范围从150到11500，其波纹角为30，45,60和90。作者提出了传质通道两侧的轮廓，并证明在波纹底部的传质峰值与旋转运动一致，该旋转运动取决于通道流速。

Ciofalo[62]通过液晶热或像获得局部传热系数的分布，并且通过壁压力测试计算表面平均值和测量的摩擦系数。也驱动整体传热和压降相关性。而Vlasogiannis等人[63]通过在两相流动条件下使用高速摄像机为板式换热器构建流态图，测量空气/水混合物的传热系数-冷流-作为空气和水表面速度的函数。开发了用于水冷却系统的新型板式换热器，例如冷却器。压印有金字塔状结构的板堆叠起来以形成热交换器[64]。所测量的板的传热系数（对流蒸发）比商用人字形板式换热器的传热系数高大约一至两倍。最近，弗罗因德和卡贝拉克[65]开发了一种使用温度振荡IR热成像和计算流体力学（CFD）来测量局部对流传热系数的方法。

2.4。 数值和分析模型

用不同的方法解决了数值模型，例如：用于研究流道角度和交换板横截面形状的影响的三维有限体积技术。这是为了确定交换器的最佳设计参数[66.67]。而Rebholz等人[68]采用二维有限体积技术预测层流，并提出了板式换热器的最终效果解决方案，以改变多通道布置和几种不同配置下的流动条件。Heggs和Narataruksa[69,70]采用两种数值方法：一种是采用四阶Runge-Kutta法和中心有限差分法求解PHE热性能。但射击方法只适用于单程环流安排。Fiebig等人[71]用纵向涡流发生器作为翅片数值分析传热和流量损失。

对基于扩散模型的逆流板式换热器进行了广泛的研究 ，该模型将理想塞流的偏差考虑在内以预测由于温度瞬变引起的响应。“相位滞后效应”是板块交易所的一个特殊特征，在动态机制中起着重要作用[72.73]。轴向扩散降低了热量表现。确定了与给定分数程度相对应的最小不可逆性。介绍了一种通过类似处理双曲轴向扩散与流体传导的新概念，并且在换热器分析中考虑了流动分布不均匀性[74]。此外，Das和Roetzel[75]通过考虑色散作为以有限速度传播的波动现象来改进传统的轴向散热模型。Strelow[76]提出了一种通过通用的计算方法来模拟沿板壁的热通量以及通道中的扩散。

Bigoin等人。[77]和Miura等人。[67]采用计算流体力学（CFD）方法，该方法基于使用各种湍流模型（混合长度模型，湍流粘度模型和大湍流模拟）和各种网格的湍流数值模拟 。使用计算流体动力学（CFD）计算进行板式换热器中搅拌酸奶加工的模拟。CFD程序用于评估扇形摩擦系数和对流换热系数的曲折系数[78-80]。而Kanaris等人[81]探索了使用通用CFD代码计算在商用板式换热器中遇到波纹壁的管道中的流体流动和传热增加的特性的潜力。测试了平行和串联流动布置，并将实验结果与从3D CFD模型以及从ID活塞式流动模型获得的热负荷的数值预测进行比较[82]。最近，发现使用深度平均流量和能量方程减少了CFD模拟的耗时[83]。此外，简化的数值模拟以获得用于确定搅拌酸奶在板式换热器的冷却阶段中的对流热传递系数的相关性[84]。获得三维湿度，压力和速度场的模拟[85]。使用计算流体动力学（CFD）方法为逆流排列生成有效性图标[86]。

另一方面，Mehrabian[87]和Mehrabian和Poulter[88]（U）和温度（T）之间的线性度，以及（U）和Delta(T)之间的线性关系，研究了板式换热器内温度分布的解析解，并研究了均匀热通量，总传热系数U。这项工作扩展到侧重于局部压力和局部温度测量的实验方法，以了解波纹通道的流体力学和热特性。

Ho等人[89-91]通过分析研究循环对平行插入绝热板的平行板式热交换器的影响。将敞开的管道分成两个通道，以实现具有均匀整温的双程操作。还研究了两侧热通量的变化比例和不透水层位置的影响[92]。对于具有逆流平行板式换热器的层流。Vera和Linan[93]为温度场提供了一个解决方案。该解决方案设计使用标准符号代数包根据Whittaker函数求解的特征函数展开，导致解析表达式提供数值上的特征值。

通过温度阶跃输入来研究和评估动态行为，以产生沿通道和出口的温度分布[94]或由Dwivedi和Das进行的阶段流量变化[95]通过预测模型，包括港口对通道分配不均对板式换热器性能的影响。达斯和Murugesan[96]，斯里哈里和达斯[97]，沙吉和达斯[98]提出了一种基于轴向散热模型的多通板式换热器的瞬态响应分析，该方法考虑了流体偏离理想塞流的情况。

  1. 两相系统

在过冷和饱和流动沸腾模式下研究了沸腾传热。Palat等人[99]研究了多通道板式热交换器中非牛顿流体的强度对流沸腾。Hsieh等人[100]通过实验研究了制冷剂R-134a的过冷流动沸腾传热特性，并详细论述了沸腾热通量，制冷剂质量流量，系统压力的影响。此外，谢和林[101,102]对臭氧友好型制冷剂R-410A的饱和沸腾传热和相关摩擦压降进行了实验，并建立了沸腾传热系数和摩擦系数与沸腾数和等效雷诺数之间的经验关系式。

而Andre等人[103]，评估了板式换热器中氨蒸发过程中的传热。Djordjevic和Kabelac提出了人字形波纹板式换热器（PHE）中氨和R134a流动沸腾的蒸发传热实验结果[104]。从这些结果中可以看出，平行流体情况比逆流情况产生更好的整体性能，并且具有低V形角波纹的板增加了蒸发热传递。最近，Cerezo et al。[105]和Taboas等人[106]对在垂直板式换热器中流动的氨/水混合物的饱和流动沸腾传热和相关的摩擦压降进行了实验研

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