一种用于废热回收的创新热强化板翅式换热器的介绍、设计与热工水力分析

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Introducing, design and thermohydraulic analysis of an innovative thermally enhanced lamella heat exchanger for waste heat recovery

　　

- 混合板片使热回收效率提高16.9%。
- 扭曲通道使努塞尔数提高最多48.4%。
- 新型设计在低压降代价下改善了流体混合效果。
- 抗污垢换热器适用于废热气回收系统。

引言

近几十年来，工业化增长、城市化以及暖通空调（HVAC）系统的广泛应用导致能源需求不断攀升，加之燃料成本上升和环境问题日益突出，凸显了高效能源利用策略的紧迫性。余热是指从工业过程和建筑运营中释放出来的未被利用的热能，是一项重要却未得到充分利用的资源，通常通过排气、热表面以及热气流等形式散失[1]。建筑中有相当一部分能源通过通风和排气流失，使得从这些气流中回收热能变得至关重要，尤其是考虑到现代建筑使用寿命长且能耗高。余热存在于很宽的温度范围内，其中中低温级热量（通常出现在热废气中）为空间供暖和工艺预热等应用提供了可观的回收潜力，尽管其有效利用可能需要先进技术[2]、[3]。近期研究表明，大量可回收余热（特别是中低温段）仍未被利用，这强调了高效回收系统的重要性。在此背景下，空气基热回收技术发挥着关键作用，通过将排出热气中的热能转移给进入的新鲜空气，从而减少能源需求、提高热效率并有助于降低温室气体排放。此外，将此类系统与热泵和热能储存等技术相结合，可以进一步增强低温热量的可利用性，使热气流中的热回收成为实现能效和可持续发展目标的关键解决方案[4]。

板片式换热器（LHEs）是最先进、最高效的热传递设备之一，在优化能耗和提高工业过程性能方面发挥着关键作用。这些换热器由壳体内部的平行薄板通道（板片）组成。其紧凑设计、低重量、优化压降、易于维护清洗以及在广泛温度和压力条件下运行的能力，使其成为航空航天、石油天然气、电厂以及废热回收系统等领域应用的理想选择[5]。在这些应用中，板片式换热器有效地从排气和热气流中回收热能并加以再利用，用于预热或其他热用途；因此，其使用不仅减少了燃料消耗和运营成本，还提高了整体系统效率并减少了污染物排放，使其成为能源管理和可持续发展的战略解决方案[6]。

总体而言，所综述的研究表明，增强气流动力学、优化换热器几何结构以及集成先进热技术是显著提高热回收性能的主要因素。添加网状结构以促进湍流并减少停滞边界层等设计修改强化了传热，而采用平板或冷凝热管、超临界CO?循环和再生燃烧器等创新系统则拓宽了效率的温度范围[7]、[8]。此外，涉及空气预热、排气再循环和热电联产回收系统的流程集成策略进一步最大化了总能源利用率和整体系统效率[9]。

近期研究的综合分析表明，通过系统级集成和针对换热器几何结构的定向改进，可以大幅增强余热回收性能。在Valenti等人的工作中[10]，一种基于外部加热布雷顿循环的热驱动空气压缩机展示了将高温排气（约560 °C）转化为有用压缩空气（高达800–1000 kPa）的可行性，实现了10–14%的净等效效率，同时减少了冷却需求和系统占地；重要的是，紧凑型回收换热器和分级压缩的使用改善了热匹配和能量提取。类似地，Ma等人[11]、[12]提出了热气再循环（HAR）工艺，通过重新设计流道并集成在清洁空气中运行的紧凑翅片管换热器，显著减轻污垢和腐蚀，实现了更深入的热回收（低至约90 °C）并改善了热经济性能，节煤量高达7.31 g/(kW·h)，回收期缩短至约1.1–1.3年；这些结果表明，增加表面面积密度和优化流量分配等几何特征可以增强传热，同时减少体积和成本。Akhan和Eryener[13]进一步证明，微观尺度的几何修改，如集成到太阳能空气集热器中的毛细管换热器，可以将传热效率提高至0.7，并实现高达85%的余热利用效率，特别是通过提高表面积与体积比并促进均匀的热相互作用。最后，Ononogbo等人[14]表明，即使在简单的系统如对流干燥器中，优化流动几何（风速和温度分布）也会直接影响传热和传质速率，实现改善的干燥性能和能效。总体而言，这些研究表明，从紧凑翅片结构和毛细网络到改进的流道布局，几何优化在强化热力水力性能、降低不可逆损失以及最大化工业余热回收和实际利用方面发挥着关键作用。

研究者们通过强调利用专用换热器或类换热器设备从排气或热气流中回收热能，推进了建筑HVAC效率的提升。Li等人[15]为超低能耗建筑提出了一种双回路排气热泵（CDEAHP），将排气通过集成换热器导入，在五种模式下同时处理新鲜空气和室内空气。该系统在15 °C时制冷量高达8.85 kW（比传统系统高18%），42 °C时制冷量高达9.42 kW，COP值超过4.0，并在中国大多数气候区满足超低能耗标准。Tang等人[16]引入了一种带空气处理单元的排气通风双玻璃光伏幕墙（EVPV），利用排气冷却光伏幕墙表面，并通过换热器回收热量用于预热送风和预冷新鲜空气。在合肥一家餐厅的实例中，它实现了19.26%的每日能源节约。Cho等人[17]开发了一种带有中空纤维膜潜热换热器和平板显热换热器的能量回收通风器，焓效率高达89.6%，夏季和冬季分别减少通风负荷75%和77%，在潜热回收方面优于传统ERV。Wu等人[18]优化了用于工业再热和加湿的太阳能冷凝热回收系统，通过换热器回收冷凝热。优化配置后系统COP达到6.08，全年COP保持在4.3以上。这些研究共同展示了空气对空气热回收策略的连贯演进，将排气能量转化为高效且适应性强建筑HVAC解决方案的宝贵资源。

Wei和Lin[19]开发了一种混合太阳能-甲烷CAES系统，利用HRSG、SRC、DHWHX和ACH从燃气轮机捕获750–900 °C的热气，生产氢气、淡水、电力、供暖和制冷，通过NSGA-II优化实现了37.8%的?效率。类似地，Li和Wang[20]创建了一种风-天然气混合CAES系统，通过TCRC与TEG集成，在充电期间从压缩机级和涡轮排气中回收余热用于制氢，而放电排气则加热SCBC和HRSG，优化后实现44.799%的ERTE。对于低温住宅应用（15–25 °C），Pandelidis等人[21]设计了一种空气对乙二醇能量回收单元（ERU），与传统空气源系统相比将热泵COP提高了25–129%，即使在55–60 °C的热水供应下COP仍保持在3.5以上，在热容比约1.0和NTU约7.5时性能最佳。采取不同方法，Luo等人[22]引入了一种用于500–550 K热电发电的收敛式换热器设计，输出功率比传统设计提高5.9–11.7%，同时改善了温度均匀性并减少了背压损失，实验验证显示与数值预测的偏差仅为2.4%。总体而言，这些研究表明，基于空气的余热回收策略覆盖15–900 °C范围，使用换热器、热力学循环和几何优化的TEG，表明通过优化、参数分析或几何创新进行的战略性设备设计可以显著提高系统效率，同时将浪费的热能转化为有价值的产品。

从高温空气和气流中回收热能已成为设计更高效能源系统的核心主题，特别是在涉及内燃机、排气管路和工业烟气通道的应用中，其中显热可通过板式、翅片管和板片式换热器或相关设备捕获。Tran等人[23]表明，波纹板回热器的几何结构显著影响传热与压损之间的平衡，指出波纹板可以通过适当调整波纹幅度、节距和波长来增强空气侧热回收。在相关方向上，Luo等人[24]使用耦合流-热-电模型表明，安装在汽车排气口的热电发电机可以利用热排气与冷却换热面之间的温差产生可用电力，尽管净增益必须考虑冷却泵功耗和增加硬件带来的车辆重量惩罚。在工业系统排气和烟气侧，热回收的有效性还取决于换热表面抵抗气载颗粒物结垢的能力。Jin等人[25]分析了环形、锯齿形和钉头翅片管上的颗粒沉积，发现翅片形状和流动条件显著影响灰层厚度和分布，钉头翅片的总体沉积量最低，从而有助于维持长期传热性能。补充这类回热策略，Liu等人[26]研究了与工业烟气通道连接的壳管式相变蓄热设备，表明修改内管偏心位置和添加螺旋翅片可以加速相变材料的熔化和凝固，在不显著增加压降的情况下改善体积和表面积蓄热速率。对于火花点火发动机的进气侧，降低充气温可以提高效率和减少排放，前提是冷却系统的集成不会产生过多惩罚。Ikhtiar等人[27]数值评估了一种使用制冷剂（R134a）作为冷却剂的板片换热器用于发动机进气充气温，结果表明具有较高长宽比的紧凑板片几何结构可以实现更大的传热和更高的进气温降，同时将压损保持在可接受范围内，从而通过空调循环回收发动机舱内的能量。这一方法进一步由Ikhtiar等人[28]的实验验证，其中相同的板片中冷器在台架试验和静态测试中大幅降低了进气温，使得因空调压缩机损失的部分功率和扭矩得以部分回收，并显著减少了CO、CO?、HC和NOx排放。在类似发动机系统的排气侧，Coskun和Demir[29]比较了排气换热器中不同的图案化板片几何结构，表明凹坑或"鲨鱼皮"轮廓等纹理表面可以将对流传热提高约20–28%，但这一改善伴随着更高的压降和热应力，因此最优设计仍需在增强热回收与结构和水力约束之间取得平衡。

从排气气流中回收热能已成为能效建筑HVAC和工业过程的核心，能够在保持室内空气质量和热舒适的同时，大幅减少一次能源使用、温室气体排放和运营成本[30]。因此，板换热器、热管、热虹吸管以及与机械通风结合的太阳能空气集热器等各种换热技术已被探索，以提升空气对空气热回收的效能、紧凑性和经济可行性[31]。在此背景下，Sadighi Dizaji等人[32]表明，在商用空气对空气板式热回收单元中插入网状物可以显著增强湍流并破坏停滞边界层，将最大流量下的总传热从500–980 W提升至550–1300 W，总传热系数从24提升至35；效率从0.47–0.92提高至0.58–0.98，努塞尔数提高最多75%，证实了网眼诱导的湍流显著增强了对流传热，尤其是在较高体积流量下。

Jouhara等人[33]将这些发现扩展到工业余热领域，报告称五程HPHE的热效率达到约67%，并将回收期从单程的34个月缩短至五程的24个月，因为74%的余热回收增益超过了增加的引风机寄生负载，同时保持相同的占地空间内的性能。在气-气回收方面的平行进展由Danielewicz等人[34]展示，他们将实验与针对多排布置的双相闭式热虹吸管的ε-NTU计算工具相结合；他们发现热回收率随排数线性增加，且随着热流-冷流质量流量比的上升效率提高，从而为交叉流热虹吸管换热器提供了实用的设计方法。补充换热器集中策略，Tohidi Moghadam等人[35]实验性地将透射式太阳能集热器（TSC）与MVHR系统集成；TSC平均预热通风空气3.07°C（在高辐射度下最高可达18°C），由于温差减小略微降低了MVHR换热器的局部效率，但将建筑整体供暖需求降低了约20%，同时保持CO?<1000 ppm和区域温度在18–22°C之间，从而利用可再生预热手段维持了室内空气质量（IAQ）和热舒适度。全球对可持续能源利用和工业脱碳日益增长的重视，凸显了回收废热气流的紧迫需求，这些气流通常占高温过程（如干燥、窑炉和排气系统）输入热能的20–50%的损耗，为节能、降低燃料消耗和减少温室气体排放提供了巨大潜力。传统波纹板换热器以其壳体内的紧凑板束设计、鼓泡平坦通道和无隔板的纵向壳侧流为特征，在高压和恶劣工况下提供稳健的性能，已成功应用于烟气回收和发动机增压空气冷却；然而，其热-水力效率在气相应用中仍然受限，特别是在低密度热气流中，因为空气侧的对流换热系数相对有限，以及不可忽视的压降代价，增加了引风机电耗和运行成本。以往研究主要集中于波纹板几何参数的优化（如宽高比、内部开放度和表面鼓泡）、波纹板变体，或管式或挡板等传统增强方式，但这些方法通常导致摩擦系数的不成比例增加，降低了整体性能评价准则，且很少被适应于空-空气体余热回收的波纹板束。因此在开发混合通道配置方面存在明显的研究空白，该配置能够通过受控二次流同时增强传热，同时保持低压降，以及在避免增加额外结构复杂性或挡板的情况下通过流道改进来缓解壳侧分配不均。尽管扭曲表面已广泛用于增强传热，但本文提出的构型与现有的扭曲通道和扭曲板概念存在根本区别。在扭曲带和扭曲插入件设计中，涡流发生器是放置在圆形管内的独立内部元件；它仅增强管侧流，不可避免地带来摩擦损失、污垢敏感性和制造复杂性。在扭曲管束（如扭曲椭圆管）中，管截面被强烈变形并对所有管施加均匀扭曲，而壳侧流仅由管间螺旋通道引导。在扭曲或波纹板换热器中，增强依赖于板波纹而非对平坦通道的受控纵向扭曲。相比之下，本工作扭曲了波纹板换热器的平板通道，使单一几何修改同时作用于两侧流动：管侧流在扭曲通道内经历涡旋和反复的边界层扰动，而扭曲外表面重塑壳侧流道并促进混合，无需任何挡板或插入件。除这种双侧机制外，还引入了波纹板或扭曲通道文献中未曾探索的两个特征：(i) 由直板和180°扭曲板组合而成的混合板束，提供了平衡增强与压降的新自由度，以及(ii) 侧移的壳侧出口，以缓解壳侧分配不均并减少出口损失。结合可直直接整合到管道和管道中的圆形进出口，这些特性使所提出的设计区别于现有技术水平。本研究通过引入新颖的扭曲板通道（纯扭曲、直板或组合构型）在波纹板换热器板束中解决这些缺陷，诱导有益的涡旋和边界层扰动以提高努塞尔数和总传热量，同时保持平板几何固有的最小摩擦损失；这一措施与战略性重新定位的壳侧出口协同作用，该出口优化了纵向流分布、减少了回流区并进一步降低了与常规端出口相比的压降。此外，本设计中值得注意的创新之一是壳侧和管侧入口均使用圆形进/出口截面。这一特征不仅最小化了流动入口相关的压降，还便于将设备无缝集成和易于安装到排气管道、暖通空调通风管道或工艺管道系统中。这些创新共同提高了废热气回收的节能潜力和热-水力性能（更高效率配合更低泵功），填补了国际上波纹板类换热器文献中的已有空白，为更高效、更紧凑和更具工业可行性的余热回收系统提供了科学路径。

**章节片段**

**几何与物理描述**

本研究进行了数值模拟以研究波纹板换热器用于空-空气体余热回收的热性能。如图1所示，该换热器由一个圆柱形外壳和平板（波纹板）通道组成，壳侧和管侧均设有圆形进、出口。考虑了五种几何构型：案例#0：直波纹板；案例#1：90°扭曲波纹板；案例#2：90°扭曲波纹板配合侧向……

**数值方法验证程序**

为验证所开发数值模型的准确性，将本模拟方法的结果与Zhang等人[50]报告的实验数据进行了比较。他们研究了烟气-空气换热器的性能，其中热气加热空气。其换热器由容纳热流体的外壳和带有扭曲扰流器通道的冷流体部分组成。选择该实验研究是由于其在工作流体方面存在显著相似性，结果和讨论

本节全面分析了所提出波纹板换热器构型的热-水力性能，特别强调扭曲板管几何形状和壳侧流动条件的影响。基于已验证的数值模型和网格无关解，结果系统地讨论关键性能指标，包括传热量、压降、努塞尔数、效率和性能评价。

**结论**

本研究进行了全面的数值调查，以评估五种波纹板换热器构型在不同壳侧入口速度下的热-水力性能。结果清楚地表明，管侧的几何修饰在增强传热和总体热回收性能中起着决定性作用。从热学角度来看，引入扭曲波纹板显著改善了传热换热。特别是，在壳侧…

**CRediT作者贡献声明**

Rui Chen：撰写—原稿、方法论、调查、数据管理。Mang Lu：验证、软件。Elimam Abdallah Ali：撰写—审阅与编辑、资源、方法论。Mohamed Amine Khadimallah：监督、项目管理、形式分析、数据管理。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢沙特阿卜杜勒阿齐兹王子大学通过项目编号（PSAU/2025/01/36745）对本研究工作的资助。

Rui Chen|Mang Lu|Elimam Abdallah Ali|Mohamed Amine Khadimallah