魏文建，張志鋒，馬文勇

（丹佛斯換熱器中國研發(fā)中心，浙江嘉興 314300）

新型高效點波板式冷凝器性能研究

魏文建*，張志鋒，馬文勇

（丹佛斯換熱器中國研發(fā)中心，浙江嘉興 314300）

本文對新型點波形和人字波形的板式換熱器單相水的流動換熱特性以及制冷劑的冷凝換熱性能進行了對比實驗研究。新型點波板特殊的流道和換熱單元設(shè)計使得在同樣的壓力損失下得到更高的傳熱系數(shù)。對于文中給定的點波板和人字波板結(jié)構(gòu)，單相水的流動換熱特性表明，同樣的壓降下前者比后者換熱系數(shù)高10%以上。兩種板用作冷凝器時，在同樣能力下，前者冷凝溫度較后者低約0.3 ℃以上。同時，點波紋板相較人字波板有更大的設(shè)計靈活性可以更好地滿足用戶特性條件的定制化需求。

冷凝器；板式換熱器；點波；人字波；換熱；壓降

0 引言

板式換熱器憑借其高效的換熱性能，以及結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于熱泵及制冷空調(diào)領(lǐng)域。節(jié)能環(huán)保高效是對制冷空調(diào)和熱泵機組的持續(xù)要求。板式換熱器作為制冷空調(diào)和熱泵機組的關(guān)鍵部件之一，行業(yè)也對其換熱性能及阻力損失提出了越來越高的技術(shù)要求。對于提高釬焊式板式換熱器的性能的研究，最常用的思路是通過改變板片的結(jié)構(gòu)形態(tài)，以增大換熱系數(shù)、減小流動阻力、增大有效傳熱面積，從而實現(xiàn)增強換熱器性能的目標(biāo)[1-6]。本文介紹了一種丹佛斯近年來設(shè)計開發(fā)的一種新型點波板片結(jié)構(gòu)的換熱器：MPHETM[7]?；谠摷夹g(shù)的多種型號的產(chǎn)品也已逐步投放全球市場，正越來越受到更多用戶的青睞。

點波板片特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效焊點遠多于人字波板，從而使其可靠性和強度更好；在同樣的設(shè)計強度下點波板板片更薄，耗材更少。為了更好的了解點波板片特性及便于用戶應(yīng)用選型，本文著重對該型板片流動換熱特性進行分析研究。

本文針對新型的點波板式換熱器內(nèi)單相流體、制冷劑冷凝換熱與阻力特性進行了實驗研究，并與傳統(tǒng)人字波板式換熱器的性能進行了對比。

1 實驗裝置及測試樣件

板式換熱器性能測試臺如下圖1所示。該實驗臺由三個模塊組成，分別是制冷劑模塊、冷水模塊和熱水模塊。通過管路的開閉，該實驗臺可實現(xiàn)板式換熱器在三種情況下的性能測試：單相水-水換熱、兩相制冷劑蒸發(fā)換熱、兩相制冷劑冷凝換熱，詳細的測試系統(tǒng)介紹可參見文獻[8]。為了更好反映兩種板片類型的流動換熱特性，除了波紋類型不同外，單板面積、角孔大小、板片大小和片數(shù)以及接管類型均保持相同，兩種板片的結(jié)構(gòu)形式分別示于圖2(a)和(b)，兩種波型樣機的詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)可見表1。每種板片類型各做了兩臺樣機，片數(shù)分別為8片和4片，共4臺樣機，其8片樣機用于單相水水換熱研究，4片樣機用于冷凝換熱測試。

圖1 板式換熱器性能測試實驗臺示意圖

2 測試工況及誤差分析

為了更好地比對兩種波紋板片性能，筆者設(shè)計了同樣的測試工況，測試模式采用了定能力方式進行。主要用于評估換熱性能及阻力損失。單相水-水換熱的板式換熱器共由24個板片組成，樣機編號分別為HB-24和DB-24，前者為人字波板片，后者為點波板片，其中熱水側(cè)流道12個，冷水側(cè)流道11個。冷凝測試為4板片的樣機，樣機編號分別為HB-4和DB-4，其中制冷劑流道一個，而水側(cè)流道為兩個，對上述兩種板型四種樣機分別進行了同樣工況下的定能力測試。單相水-水換熱和冷凝測試的測試工況分別如表2和表3所示。

采用Moffat[9]誤差分析方法，分析了換熱系數(shù)的誤差，如表4所示。

表1 測試板式換熱器結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

圖2 兩種波紋板片結(jié)構(gòu)

表3 冷凝換熱對比測試工況

表4 參數(shù)誤差表

3 結(jié)果分析和討論

對于單相水-水換熱實驗，按定能力模式每臺樣機進行了70 kW工況點的測試，分別得到了該組樣機的出口溫度及壓降。通過對實驗結(jié)果進行分析，并采用筆者開發(fā)的換熱和壓降關(guān)聯(lián)式預(yù)測其它工況點的數(shù)值[10]，結(jié)果對比以圖3的形式表示?？梢?，對于給定的測試工況，該人字波板的換熱系數(shù)為6,404 W/m2·K，壓降為41.6 kPa；而該點波紋板的換熱系數(shù)為6,710 W/m2·K，壓力損失為30.6 kPa。即點波板付出較小的代價而得到了較高的換熱能力。如果人字波板與點波紋板實現(xiàn)同樣的壓力損失，則換熱系數(shù)只有5,959 W/m2·K；另一方面，人字波板達到點波紋板同樣的換熱能力，需付出的壓力損失則高達51 kPa。

圖3 兩種波紋板單相流動換熱特性對比

對于兩種波紋板用作冷凝器，分別進行了定能力測試。熱流密度范圍從8 kW/m2到18 kW/m2，相應(yīng)的換熱量約為1,000 W到2,000 W。評價冷凝器的指標(biāo)可以用給定能力下的冷凝溫度以及水側(cè)壓降來反映，這兩個參數(shù)直接影響板式換熱器用作冷凝器機組的能力及功耗。由于測試工況相同，兩種波紋板的冷凝溫度和水側(cè)壓降隨換熱能力變化的曲線可以表示成圖4的形式，用戶可以方便地了解不同換熱能力下的冷凝溫度及水側(cè)的阻力損失，從而進行針對性的應(yīng)用選型。從圖4可見，對于本文提到的人字波板和點波板，用作冷凝器時，在同樣的能力下，該點波板比人字波板的冷凝溫度約低0.3 ℃～0.4 ℃；即在同樣冷凝溫度下，該點波板的換熱量比人字波板約高10%以上。同時，值得注意的是在同樣的條件下，該點波板的壓降比人字波板的壓降低25%以上。

該人字波板和點波紋板都還有一定的優(yōu)化空間。但總體而言，點波紋板特殊的流道設(shè)計，中心對稱流道使得流體在流動過程中最大流速和最小流速比遠低于人字波板，在同樣的流量下平均流速較高。另外，筆者認為對于每個換熱單元中心流體高速碰撞有利于流體的邊界層分離。另外相對于人字波，點波板片兩側(cè)流體速度場和溫度場幾乎同步，根據(jù)場協(xié)同理論，這種結(jié)構(gòu)及流動形式也有助于增強換熱性能。這部分工作將在后續(xù)研究過程中做重點分析。

圖4 兩種波紋板冷凝換熱性能對比

4 結(jié)論

本文對新型點波形和人字波形的板式換熱器單相水的流動換熱特性以及冷凝換熱性能進行了對比實驗研究。

新型點波板特殊的流道和換熱單元設(shè)計使得在同樣的壓力損失下得到更高的傳熱系數(shù)。對于文中給定的點波板和人字波板結(jié)構(gòu)，單相水的流動換熱特性表明，同樣的壓降下前者比后者換熱系數(shù)高10%以上。兩種板用作冷凝器時，在同樣能力下，前者冷凝溫度較后者低約0.3 ℃以上。同時，點波紋板相較人字波板有更大的設(shè)計靈活性，故在給定應(yīng)用工況下的優(yōu)化空間更大，可以更好地滿足用戶特性條件的定制化需求。

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Research on Performance of Novel High Efficiency Dimple Plate Condenser

WEI Wen-jian*, ZHANG Zhi-feng, MA Wen-yong
(Danfoss Heat Exchanger China R&D Center, Jiaxing, Zhejiang 314300, China)

The heat transfer characteristics of single phase water flow and refrigerant flow condensation inside dimple and herringbone plate heat exchangers are investigated. The results show that the dimple plate has higher heat transfer efficiency under the same pressure loss due to the unique channel and heat transfer cell design. For the given design, the water heat transfer efficiency of the dimple plate is over 10% higher than that of the herringbone plate. For condenser applications, the condensing temperature of the dimple plate is over 0.3 ℃ lower than that of the herringbone plate with the same capacity. Moreover, the dimple plate can provide more flexible and specified designs to satisfy the customized requirements.

Condenser; Plate heat exchanger; Dimple; Herringbone; Heat transfer; Pressure loss

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.105

*魏文建（1972-），男，高級工程師，博士。研究方向：兩相流動換熱強化技術(shù)及換熱器優(yōu)化設(shè)計。聯(lián)系地址：浙江省海鹽縣謝家路1383號，郵編：314300。聯(lián)系電話：18069676358。E-mail：wenjian.wei@hotmail.com。