变深度波纹方法用于高效板式换热器

《Thermal Science and Engineering Progress》：Variable-depth corrugation approach for efficient plate heat exchangers

　　

研究人员评估了变深度波纹板式换热器（CPHE1）的热性能。CPHE1显著降低了压降。CPHE1中流动不均匀性（flow maldistribution）得到显著缓解。CPHE1的JF因子（JF factor）比传统CPHE（CPHE2）高出21.3%。CPHE1的传热率与泵功比（γ）是CPHE2的2.44倍。

变深度波纹板式换热器的热工水力性能研究：从数值模拟到性能评估

研究背景与问题：随着全球能源消耗持续增长，热系统效率优化成为关键。换热器（HE）作为热系统的核心部件，其性能直接影响系统整体能效。板式换热器（PHE）因其紧凑结构和高效传热特性，在能源回收、制冷、食品加工等领域广泛应用。然而，传统波纹板式换热器（CPHE）存在压降大、流动不均匀等缺陷。尽管混合人字角（mixed chevron angles）设计能部分缓解压降问题，但会引入通道间流动阻力不均、设计复杂等新挑战。目前，尚无研究探索单一人字板内变深度波纹的潜力。因此，研究人员提出一种变深度波纹板式换热器（CPHE1），旨在通过局部改变波纹深度，在保持平均波纹深度和几何尺寸不变的前提下，优化热工水力平衡，降低压降并改善流动分布。

研究内容与结论：本研究采用计算流体动力学（CFD）方法，对CPHE1、传统CPHE（CPHE2）和平板式换热器（FPHE）进行数值模拟。所有换热器几何尺寸相同，平均波纹深度均为0.6 mm，在Re=250–2500范围内进行水-水逆流稳态模拟。结果表明，CPHE1的努塞尔数（Nu）仅比CPHE2低11.5%，但范宁摩擦因子（f）降低了1.94–2.5倍，压降（ΔP）减少48.5–58.7%。流动分布分析显示，CPHE2中流体倾向于流向通道侧面，而CPHE1中流体遵循人字形（herringbone）图案，速度分布更均匀，速度标准偏差（Su）降低35.0–72.4%，流动均匀性指数（Uv）提升。综合性能评估中，CPHE1的JF因子比CPHE2高21.3%（Re=1500时），传热率与泵功比（γ）为CPHE2的1.96–2.44倍。此外，研究人员建立了CPHE1的Nu和f预测关联式：Nu=0.259Re^0.6131Pr^1/3(μ/μ_w)^0.14（R²=0.9999），f=2.8645Re^?0.2879（R²=0.9806）。该研究发表在《Thermal Science and Engineering Progress》上，为紧凑式换热器的被动式优化提供了新思路。

技术方法：研究人员主要采用以下关键技术方法：1) 基于Solidworks CAD的几何建模，构建CPHE1、CPHE2和FPHE的全尺寸模型；2) 采用Ansys Fluent中的realizable k-ε湍流模型，结合可伸缩壁面函数（scalable wall-function）处理近壁面流动；3) 使用非结构四面体网格进行网格划分，通过网格收敛指数（GCI）分析验证网格独立性，最终选用22.2百万网格单元；4) 采用SIMPLE算法进行压力-速度耦合，二阶精度离散对流项；5) 计算努塞尔数（Nu）、斯坦顿数（St）、科尔本j因子（Colburn j-factor）、范宁摩擦因子（f）、JF因子及传热率与泵功比（γ）等无量纲参数，评估热工水力性能；6) 通过速度标准偏差（Su）和基于速度的流动均匀性指数（Uv）定量分析流动分布均匀性。所有模拟均在稳态、水-水逆流条件下进行，Re范围为250–2500。

研究结果：
4.1 模型验证：将CPHE2的Nu和f数据与文献中Bond、Gulenoglu等人的实验数据及Kumar的摩擦因子数据对比，偏差在4%–12%范围内，验证了数值模型的可靠性。
4.2 对流换热与摩擦因子：CPHE2的Nu和St最高，但CPHE1的Nu最大仅低11.5%，表明两者传热性能相近。CPHE1的f值比CPHE2低1.94–2.5倍，且随Re增大差异扩大，归因于CPHE1接触点较少，减少了流体阻碍。
4.3 流体流动分布：速度矢量图显示，CPHE2中高速流体从通道侧面流向，而CPHE1中流体遵循人字形图案，向通道中部集中。速度分布线分析表明，CPHE1的Su在入口线处降低51.8–68.8%，在中线处降低35.0–72.4%，Uv也相应提高，证实了变深度设计显著改善了流动均匀性。
4.4 热性能评估：CPHE1的JF因子在所有Re下均高于CPHE2，最大增强21.3%（Re=1500）。CPHE1的γ值为CPHE2的1.96–2.44倍，随Re增大而提高，表明单位泵功的传热效率显著提升。
4.5 研究意义：与混合人字角设计相比，变深度设计避免了通道间流动阻力不均和设计复杂性，在保持相同人字角的前提下实现了更优的热工水力平衡。
4.6 Nu和f关联式：通过线性回归得到CPHE1的Nu和f经验公式，与CFD结果高度吻合，为初步设计计算提供了便捷工具。
4.7 研究局限：本研究未进行实验验证、机械强度评估、制造可行性分析，且仅考察了一种变深度组合，未来需在不同几何参数和工况下优化。

讨论与结论：讨论部分强调了变深度设计在减少接触点、降低压降方面的优势，同时指出其机械完整性、制造公差和成本需进一步评估。结论部分翻译如下：提出了一种沿流体流动方向具有三种不同波纹深度的变深度波纹板式换热器（CPHE1）。CPHE1的传热性能与CPHE2相近（最大Nu差异11.5%），但摩擦因子降低达2.5倍，压降减少48.5–58.7%。CPHE1中流体遵循人字形图案，流动均匀性显著改善，JF因子提高21.3%，γ值为CPHE2的1.9–2.44倍。总体而言，变深度设计改善了热工水力平衡，避免了混合人字角设计的通道间阻力不均问题，在紧凑式热系统中具有广阔应用前景，但需进一步实验验证和结构优化。