板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响.pdf

shell-plate heat exchanger.Mechanics in Engineering,2023,45(4):754-764Wu Pengfei,Liu XLu Bohui,et al.Influence of corrugated inclination angle on heat transfer and flow characteristics ofnV112023年力8月第4 5卷第4期实践学板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响1)吴鹏飞*刘新宇鲁博辉十张理*朱健华*王科+,2)（南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江），广东湛江52 4 0 2 5）（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京10 2 2 4 9）摘要研究了波纹倾角（=45，6 0，7 5）对板壳式换热器单流道内单相流动与换热过程的影响，分析了波纹流道内的速度分布、湍动能分布、压力分布和温度分布；基于范宁摩擦阻力因子f和Nu与Re的关系，提出了板壳式换热器不同波纹倾角下换热特性和流动阻力特性的预测关联式；通过计算不同波纹倾角下的综合性能评价指标（performanceevaluationcriteria，PEC）和面积质量因子（j/f）综合评价了流动与换热性能。结果表明：波纹倾角是影响圆形板间流体流动形态的因素之一，随着波纹倾角增大，会出现“十字交又流”向“曲折流”转变；所提出的关联式能够很好地预测板壳式换热器内阻力与换热性能，阻力特性偏差在14%范围内，换热特性偏差在7%范围内；为4 5时，j/f较大，流道内阻力相对小；为6 0 时，PEC较大，流道内换热性能相对强。关键词林板壳式换热器，波纹倾角，流动特征，换热性能，数值模拟中图分类号：TK172文献标识码：Adoi:10.6052/1000-0879-22-570INFLUENCE OF CORRUGATEDINCLINATION ANGLEON HEATTRANSFER AND FLOW CHARACTERISTICS OF SHELL-PLATEHEATEXCHANGERI)WU Pengfei*LIU Xinyu*LU BohuitZHANG Li*ZHU Jianhua*WANG Ket.2)*(Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhanjiang),Zhanjiang 524025,Guangdong,China)t(College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)Abstract In this paper,the numerical simulation of single-phase flow and heat transfer is carried out for thesingle channel of the shell-plate heat exchanger with the corrugation inclination angle of 45,60 and 75,respectively.The velocity distribution,turbulent kinetic energy distribution,pressure distribution andtemperature distribution in the circular corrugated channel under different corrugation inclination angles areanalyzed.Based on the relationship between fanning friction factor f,Nu and Re,empirical correlations forpredicting the flow resistance and heat transfer characteristics in the shell-plate heat exchangers under thedifferent corrugation inclination angles are proposed.The comprehensive performance of the heat exchanger isevaluated by calculating PEC and j/f under different corrugation inclination angles.Results show that theinclination angle of corrugation is one of the factors affecting the flow pattern between the circular plates.Withthe increase of the inclination angle of the corrugation,the flow line of fluid changes from“cross flow tolongitudinal flow.The proposed correlation is capable of accurately predicting the resistance and heat transferperformance of the shell-plate heat exchanger.The characteristic deviation of flow resistance and heat transfer is2022-10-13收到第1稿，2 0 2 2-11-15收到修改稿。1）南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江）科研项目（ZJW-2019-05和ZJW-2022-04）资助。2）王科，博士，副教授，研究方向为多相流动与传热基础理论研究。E-mail：w a n g _k e c u p.e d u.c n引用格式：吴鹏飞，刘新宇，鲁博辉等.板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响.力学与实践，2 0 2 3，4 5(4)：7 54-7 6 4755第4 期吴鹏飞等：板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响within the range of 14%and 7%,respectively.When is 45,the heat exchanger has a higher value of j/f,but the resistance in the flow channel is relatively small.When is 60,the PECis large,which indicates theheat transfer performance in the flow channel is much more severe.Keywords shell-plate heat exchanger,corrugation inclination,flow characteristics,heattransferperformance,numerical simulation为应对化石能源过度消耗所造成的全球变暖与环境污染问题，我国于2 0 2 1年制定了“30 6 0 双碳”目标。其中，大力提升能源系统中热能利用效率是实现这一目标的有效途径之一2。而换热器的性能优劣直接决定了能源系统内的换热效率。因此，开发新型高效换热器对提高能源效率和产业竞争力有着重要意义3。板壳式换热器作为一种新型换热器4-6 ，集合了管壳式换热器和板式换热器的优点。相较于管壳式换热器，其结构紧凑、重量轻，且换热效率高，能够在较低的雷诺数下形成湍流7-9 ，相比于板式换热器，其能够承受高压和高温，且其圆板结构通过外圆环焊接避免了应力分布不均现象。板壳式换热器具有特殊的结构和良好的热力性能，能够满足苛刻工况的要求，适用于多种极端工作场景，如催化裂解、常减压蒸馏、海上浮式生产储卸油以及海洋温差能发电等装置。文献10-14 均采用了可视化的实验方法对板式换热器流道内的单相流动形式进行了研究，都认为波纹通道内流动主要由两种形式组成：沿主流方向的纵向螺旋流动（longitudinalcomponent，Z字形流动）和沿波纹方向的沟槽流动（furrowcomponent，L字形流动）。Focke等10 发现板式换热器波纹夹角的变化会影响流道内的基本流动结构，进而影响换热器内的压降和换热特性。当波纹夹角为7 2 8 0 时，摩擦因子和传热因子均达到了极大值；当波纹夹角为9 0 时，会观察到明显的流动分离现象，会导致换热和压降显著降低。Gherasim等15 和Liu等16 通过数值模拟研究发现：当板式换热器的波纹夹角为6 5时，换热流体沿主流方向呈现乙字形流动。栾志坚等17 研究了板式换热器波纹夹角对流型的影响，发现当波纹夹角增大时（2 0 8 0），流型由“Z字形”向“L字形”发生转变。Rush等18 通过可视化实验对板式换热器正弦波纹通道内的流场进行研究，发现流动区域可分为流道中间区域的核心流动、波纹沟槽处的稳定回旋流动以及混合流动，另外发现，流动过程中的不稳定性会致使波纹通道内的换热性能增强。王中铮等19 和赵镇南2 0 研究了板式换热器人字形波纹通道中的流动结构，发现随波纹夹角的增大，换热和流动阻力均增大。然而目前针对板壳式换热器圆形波纹板间不同波纹倾角下的流动分布、换热与阻力特性鲜有文献报道，缺乏对其圆形波纹板间流动结构多样性、换热规律以及压力分布的认知。综上所述，换热器内的波纹倾角对其流动与换热性能有着显著影响。但目前的研究主要以板式换热器为主，而波纹倾角对板壳式换热器中圆形波纹板间的流动分布、换热与阻力特性的影响鲜有文献报道，从而缺乏高效板壳式换热器的设计与优化理论依据。据此，本文针对板壳式换热器圆形波纹通道内不同波纹倾角下的换热和阻力特性进行了数值模拟研究，获得了不同波纹倾角下流道内的速度分布、湍动能分布、压力分布和温度分布；分析了不同波纹倾角下板壳式换热器的阻力特性和换热特性，基于范宁摩擦阻力因子f和努塞尔数Nu与雷诺数Re的关系，提出了板壳式换热器不同波纹倾角下换热特性和阻力特性的预测关联式，为提高板壳式换热器换热效率提供了理论基础。1计算方法1.1计算模型为揭示板壳式换热器不同波纹倾角（）下圆形波纹板间流动与换热机理，基于ANSYSFluent软件，对板壳式换热器壳程单通道内的单相流动和换热特性进行了数值模拟研究。图1为圆形波纹板结构示意图，其中，Dw为板片直径，Dv为角孔距离，D为角孔直径，tmax为最大通道间距，tw为板片厚度。主流方向流动为变截面流动，其参数列于表1。单通道几何结构及计算力756实践2023年第4 5卷学区域如图2 所示，流动方向沿Y轴负方向，计算域的一半与对称边界条件相结合，以减少网格单元数量。进、出口设置扇形导流区和矩形延伸段，可避免单相流中可能出现的逆回流。在研究过程中，选取图2 中的slice 1，s lic e 2，s lic e 3，s lic e4和slice5作为分析对象。500400Buu/v300AD4DW200Q=45100=60=750-100-50050100DY/mm(a)圆形板片结构（b）沿流动方向的面积变化(a)Circularplatestructure(b)Area change along the flow directionflowdirection6tPtmax=2bP(c）不同位置流通面积(d)波纹结构(c)Circulation area at different positions(d)Corrugated structure图1板片结构示意图Fig.1 Schematic diagram of plate structure表1板片参数Table1Parameters of plateParameter=45Q=60Q=75plate diameter D/mm200200200port diameter d/mm353535corrugation depth b/mm2.12.12.1corrugated pitch Pe/mm7.57.57.5enlargement ratio F1.104361.104391.10422mean flow cross-section per channel A/mm?328.5174328.3664328.7504equivalent diameter Dh/mm4.24.24.21.2数学模型模拟流体在板壳式换热器圆形波纹板件流动时，采用三维流动模型。介质为连续介质，遵循连续方程、动量方程和能量方程。连续性方程apu)a(pu)8(pw)0(1)oy式中，p表示流体的密度；t表示流体流动时间；u，和w表示速度矢量在，y和方向的速度分量。动量方程a(pu)pOTy8Tz2div(pu?)+Fty(2)757吴鹏飞等：板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响第4 期8(pu)8Tay8Tuy8T2+div(puu)=+Futy82(3)8(pw)8Ta28Tyz8T22+div(pwu)=+Fzt8y(4)式中，p是流体微元体上的压力；T是因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力；Taa，T y a 和Tza等是的分量；Fr，F,和F,是微元体的体积力。2flowdirectionZslicesliceYcenter axisX图2 计算模型Fig.2Computational model能量方程a(pT)a(puT)a(puT)a(pwT)toy(kT)(T)kOT+ST(caoypoy?(5)式中，T是温度；k是流体传热系数；Cp是定压比热容；ST是流体内热源及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分。考虑到流体在通道内大量的绕流行为，流方程和近壁面处理选择RNGk-模型配合增强壁面处理（enhancewall treatment）选项以保证准确的近壁面模拟。RNGk-方程(pkui)pktiok+Gk+Gb-pe-YM(6)tpeuiot2(Gk+C3eGb)-C2epPR(7)式中，k表示端动能；表示耗散率；u表示流体的黏度；ut表示流体的流黏度；k表示k方程的湍流Prandtl数；Gk是平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb是浮力影响引起的瑞动能产生；YM是可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；。表示方程的湍流Prandtl数；Cie=1.44，C2 e=1.92，C3e=0.0 9，都是模型常量；R表示方程中的附加项，以适应应变率和流线曲率变化迅速流动计算的需要。1.3边界条件与求解方法计算为稳态工况，采用速度进口边界条件（2 7，质量流量分别为0.0 1，0.0 2，0.0 3，0.04，0.0 5，0.0 6，0.0 7，0.0 8，0.0 9 k g/s）；压力出口边界条件；圆形波纹壁面设置为恒温且无滑移边界条件（7 7）；其余壁面均为绝热且无滑移边界条件。控制方程采用SIMPLE算法求解，除压力采用标准格式外，其他方程离散均采用二阶迎风格式以减少数值耗散。动量、端流动能及端流耗散率残差收敛到10-量级，能量残差收敛到10-量级，进出口质量差为10 7 量级。1.4网格独立性验证由于计算区域几何结构非常复杂，因此采用非结构化的四面体网格进行网格划分，为了在保证计算精度的前提下节省计算时间和资源，图3为分别为4 5，6 0 和7 5的网格无关性验证，针对不同的波纹倾角分别建立6 个不同网格的模型。为4 5时，网格数从7 4 4 0 7 9 0 增加至9546348时，压降增加了0.57%；为6 0 时，网格数从7 0 6 6 6 59 增加至9 0 6 6 34 8 时，压降增加了0.55%；为7 5时，网格数从6 4 7 30 0 4 增加至8 7 4 6 34 8 时，压降增加了0.58%。在综合考4.804.699066348=604.584.404.328746348=754.242.392.36195463480=452.334.07.010.013.016.0X106elements number图3压降随网格数变化Fig.3Variation of pressure drop with elements number力758实2023年第4 5卷践学虑数值模拟的求解精度和计算时间成本下，为45，6 0 和7 5时分别采用9 54 6 34 8，9 0 6 6 34 8和8 7 4 6 34 8 的网格数进行计算。1.5数据处理雷诺数Re表示为puDhRe=(8)式中，p为密度，kg/m；为流动速度，m/s；D h为当量直径，mm；为动力黏度，PaS。通过范宁摩擦阻力因子f21来表征通道中流动的摩擦阻力特性，其表达式为2P:D hf(9)pLu2式中，Pf为进出口压降；L为流动长度，mm。换热系数h和平均努赛尔数Nu表达式分别为h=An(Tw-T.)Q(10)qdAhDhNu=(11)AhT入式中，Tw是壁面温度，；T是流体温度，；Q是热流量，W；A n 是换热面积，m；q 是热流密度，W/m；入是导热系数，W/(m.)。面积质量因子/f用来评价换热器的综合性能2-2 3,，其表达式为St.Pr2/3NuPr-1/3.Re-1j/f=(12)式中，St为斯坦顿数；Pr为普朗特数；i为科尔本因子2 4 2 5,，其表达式为Nu(13)RePr1/3此外，有学者提出PEC26-27用来综合衡量换热器的换热性能和流动压力损失NuPEC(14)f1/31.6数值模拟方法的验证为了验证模拟结果的正确性，图4 为为75的模拟计算结果与文献2 8 对波纹倾角为7 5的板壳式换热器的研究结果在f和Nu的对比情况。f和Nu的模拟结果与文献2 8 中研究结果最大误差分别不超过15%和6%。因此，可认为本文所采用的模型、计算方法、网格划分、数值设置等是合理可靠的。6040nN20Ref.28(=75)Nusimulation_(=75)1.50 Ref.28(=750)f simulation(=75)1.00.5002004006008001000Re图4 模模拟结果的验证Fig.4Validation of the simulation results2不同波纹倾角下流道内的场分布本节根据三种不同波纹倾角在质量流量为0.05kg/s，壁面温度7 7 和工质水进口温度2 7 的工况下，详细分析了板壳式换热器圆形波纹板间的场分布，包括流线分布、速度分布、湍动能分布、压力分布和温度分布特征。2.1流线分布图5为不同波纹倾角下流道内的流线分布，当为4 5时，流道内的流体主要沿波纹槽流动，并且顺着沟槽流动到板侧壁面直至被折回，即“十字交又流”；由于圆形板片自身的结构特征，导致其板内流动分布不均；当为7 5时，流道内的流体主要呈明显的锯齿形流动，流体虽然仍velocity/(ms-1)=45Q=60Q=751.51.20.90.60.30图5流线分布Fig.5Streamlinedistribution759吴鹏飞等：板壳式换热器纹倾角对换热和阻力性能影响第4 期然在波纹沟槽中流动，但发生转变的方向在相邻波纹板接触点附近，即“曲折流”，此外，其流道内触点减少，流程度小；当为6 0 时，流道内的流体不存在明显的“十字交又流”和“曲折流”，呈现混合流态。2.2速度分布图6 为不同波纹倾角下流道内的速度分布，从图6(a)速度云图可以看出流道中的速度场主要由两个主要区域来表征，接触点周围的低速区域和相邻接触点之间的高速区域。在接触点周围会存在较大的速度梯度，主要是因为波纹板间流动的速度分布不像直通道中那样均匀，其流通截面积是不断变化的不规则形状。沿板之间的流体流动呈现先扩散然后收敛的流动特征，并且流动通道是长度不一致的弧形。此外，可以发现为45时的十字交叉流态会加剧板片边缘位置流动分布不均。并且接触点位置会干扰通道中心附近的流动。当流体流过接触位置时，通道间距会变窄，并且流体将在接触点处分离。从图6(b)沿程的平均速度分布可以看出沿着流动方向，平均速度先减小后增大，不同波纹倾角呈现相同的变化趋势。此外，可以看出为4 5时，流道内的整体平均速度最低，相比为4 5，为6 0 时流道内整体平均速度增大7.9%，为7 5时流道内整体平均速度增大5.0%。Q=45=60Q=75velocity/(ms-1)0.759=45=60V=751.59.1%1.25.6%1.1%(r-s.)/aoooa ueo0.600.90.557.0%0.539.9%1.5%3.3%0.60.509.6%9.9%7.5%0.510.470.480.30.450.430.430.430.4300.390.390.400.4040.300.15slice1slice2slice3slice4slice5a)速度云图分布(b）平均速度分布(a)Velocity contour distribution(b)Mean velocity distribution图6 速度分布Fig.6Velocitydistribution2.3瑞动能分布动能是边界层区域中最重要的变量之一，因为它是瑞流强度的量度。瑞动能与通过边界层的热量、水分和动量的传递直接相关。图7 为不同波纹倾角下流道内的湍动能分布，从图7(a)湍动能云图可以看出，为6 0 时通道中端流强度明显高于为4 5和7 5时通道中流强度。从图7(b)沿程的平均湍动能分布可以看出平均湍动能的分布与平均速度分布具有相似的趋势，沿着流动方向先减小后增大。主要是因为端动能为速度的直接函数，这种变化趋势由圆形板片自身的结构特性所决定。相比为4 5，为6 0 时流道内整体平均瑞动能增大9 9%，为7 5时流道内整体平均瑞动能增大6 2%，可以看出混合流态的扰动效果最好，湍流程度最强，而“曲折流”的扰动效果也要明显优于“十字交又流”。2.4压力分布图8 为不同波纹倾角下流道内的压力分布，从图8(a）压力云图可以看出，垂直于主流方向的压力分布较为均匀，而沿着流动方向压力逐渐降低，为4 5时通道中压力明显低于为6 0 和75时通道中压力。从图8(b)沿程的平均压力分布可以发现，随着增大，压力先增大后减小，这是因为为4 5时，流体主要沿沟槽方向流动，流动阻力小；为6 0 时，混合流动的湍流程度强，导致压力也大；为7 5时，流体主要沿触力760实2023年第4 5卷践学turbulentkineticQ=45Q=60Q=75energy0.056MV=45=60V=750.067295%0.050492%0.03360.042.20.042848%0.04297%0.0168064%50%54%0.036091%4115%102%0.02890.02990.028.70.0280.027.00.02480.02260.02080.021880.00.00.030.040.014slice1slice 2slice3slice 4slice 5a)瑞动能云图分布(b）平均端动能分布(a)Turbulent kinetic energy contour distribution(b)Mean turbulent kinetic energy distribution图7瑞动能分布Fig.7Turbulent kinetic energy distribution点间隙螺旋流动，湍流程度减弱，压力随之降低。相比为4 5，为6 0 时流道内整体平均压力增大10 6%，为7 5时流道内整体平均压力增大74%。图8(c)显示了中心轴线位置的压力变化，中心轴线处的波纹结构为突扩突缩的周期性几何变化，导致其压力也呈现周期性降低的趋势，在接触点上方的位置，流体会出现流动滞止点，并且会出现较大的速度梯度，从而导致其压力发生突变。2.5温度分布图9 为不同波纹倾角下流道内的温度分布，从图9(a)温度云图可以看出沿着流动方向，温度逐渐升高。从图9(b)沿程的平均温度分布可以发现，随着增大，温度先增大后减小，为4 5时，平均温度最低；为6 0 时，换热效果好，平均温度升高；为7 5时，换热效果减弱，温度随之降低。相比为4 5，为6 0 时流道内整体平均温度增大4.3%，为7 5时流道内整体平均压力增大2.6%。图9(c)显示了中心轴线位置的温度变化，可以看到波纹结构的周期性几何变化导致沿波纹通道的温度也呈现周期性变化，但与压力的周期性趋势不同，尽管在流动过程中温度逐渐升高，但接触点的温度几乎保持不变。此外，可以发现不同波纹倾角下的温度波动幅度有所不同，这主要跟流态有关，“十字交叉流”会使沿流动方向的温度分布较为均匀，而“曲折流”的均匀性较差。3不同波纹倾角对换热和流动阻力的影响通过f和Nu随Re的相关性来表征板壳式换热器单流道内的单相流动阻力与换热特性，图10为f和Nu随Re的变化，将不同波纹倾角的模拟结果与文献2 8 ，文献2 9 和文献30 计算的相关性进行了比较。图10(a)为f随Re的变化，相比于板壳式换热器，对于相同的波纹夹角，计算结果与文献2 8 中结果相吻合，为7 5时的流动阻力要明显大于4 5时的流动阻力。相比于传统的板式换热器，其计算结果略小于文献2 9 中提出的相关性，当为6 0，且雷诺数较大时，其计算结果已经与文献30 中提出的相关性较吻合。与板式换热器相比，板壳式换热器可以提供更小的摩擦系数。图10(b)为Nu随Re的变化，在板壳式换热器中，为6 0 时的Nu比为4 5时约提高了10%，为7 5时，Nu会降低。这是由于较小时，流体主要沿着沟槽流动，受到扰动较小，流程度较低，换热效果也较差，随着增大，流体在触点受到扰动，变为“混合流”，湍流程度变大，换热增强，继续增大则触点变少，扰动减弱，换热效果变差。表2 给出了分别为4 5，6 0 和7 5的圆形波纹板间f和Nu的预测关联式，应用于雷诺数Re为0 2 0 0 0。通过预测关联式的计算可以发现，随着Re的增大，f逐渐变小，而Nu逐渐变大。关联式预测结果与模拟计算结果差别较小。如图11(a)和11(b)所示，对比模拟结果，f和Nu761吴鹏飞等：板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响第4 期Q=45Q=60Q=75pressure/Pa30002400180012006000(a）压力云图分布(a)Pressure contour distribution10.8V=45=60=7580%9.0115%80%8.2114%76%75107%71%7.26.96.8102%62%6.35.86.192%5.45.25.243.83.63.53.3.021.8slice1slice2slice3slice 4 slice 5(b）平均压力分布(b)Mean pressure distribution3.75-Q=45-=60=753.002.251.500.750.06-0.0300.030.06centeraxis/m(c）中心轴线压力分布(c)Central axis pressure distribution图8 压力分布Fig.8Pressure distribution的平均预测偏差分别为14%和7%，9 0%的预测值偏差小于土10%。图12 为PEC和i/f随Re的变化趋势。从图中可以看出，PEC随Re的增大而增大，j/f随temperature/Q=45Q=60Q=75655749413325(a）温度云图分布(a)Temperature contour distribution68V=45=60=751.6%3.2%1.7%3.3%464.06463.01.8%62.062.03.5%61.060.06059.03.8%5.7%58.057.05656.04.2%6.0%55.053.053.5252.150.048slice1slice2slice3slice4slice5(b）平均温度分布(b)Mean temperature distribution807060STXe50-=45=60Q=7540-0.06-0.0300.030.06center axis/m(c）中心轴线温度分布(c)Central axis temperature distribution图9 温度分布Fig.9TemperaturedistributionRe的增大先增大后减小，原因是流速的增加使换热系数随之剧增，但是增加流速使流动阻力也随之增大，且其增加速率远超过换热系数的增加速率。而不同的波纹倾角下PEC和i/f随Re的变力762实践2023年第4 5卷学1.572simulation(=45)simulation(=45)simulation(=60)simulation(=60)simulation(=75)1.2simulation(Q=75)Ref.28(=75plate side)54口 Re f.2 8 (=45plate side)0.9Ref.28(=75 shell side)DRef.28(=45 shell side)Ref.29(=60)360.6-Ref.30(=45)文Ref.28(=75 plate side)D文Ref.28(=45plate side)D18口Ref.28(=75 shell side)0.3DRef.28(=45shell side)Ref.29(=60)DRef.30(=45)0025050075010001250025050075010001250ReRe(a)(b)图10(a)和Nu(b)随Re变化Fig.10 Variation of f(a)and Nu(b)with Re表2 f和Nu与Re之间的预测关联式(0 Re2000)Table 2 Prediction correlations of fand Nu with Re(0Re2000)R2NuR2Q=45f=4.531 2Re-0.433 90.9906Nu=1.304 5Re0.450 9 Pr0.40.9473Q=60f=4.255 6Re-0.346 70.9976Nu=1.2539Re0.486 6Pr0.40.9698Q=75f=7.647 4Re-0.440 80.9930Nu=1.249 1Re0.4757Pr0.40.97050.7590=45Q=45Q=60Q=60=7575Q=750.60600.45+10%+10%.885-10%45-10%0.30300.15150.150.300.450.600.75153045607590f(simulation)Nu(simulation)(a)(b)图11f(a)和Nu(b)的预测偏差Fig.11Prediction error of f(a)and Nu(b)化趋势一致。通过PEC可以看出，为6 0 时，换热器的综合性能最佳；而通过/f发现为4 5时，换热器的综合性能最佳。这是因为这两个指标在流动特性折算程度的差异，PEC中摩擦阻力系数f的指数为1/3，j/f中摩擦阻力系数于的指数为1，指数越小，流动特性对评价结果的影响越弱。通过图13中PEC和i/f对比也可以发现，为6 0 和7 5时，PEC较大，流道内换热性能相对强；而为4 5时，j/f较大，流道内阻力相对小。为6 0 时，换热器更适用于小流量，换热要求高的场合；而为4 5时，换热器更适用于大流量，换热要求低的场合。4结论本文对波纹倾角分别为4 5，6 0 和7 5的板壳式换热器进行了单相流动与换热的数值模拟研究，分析了流道内的速度分布、湍动能分布、压力分布和温度分布；获得了不同波纹倾角对换热763第4 期吴鹏飞等：板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响1350.20=45O:=45Q600.Q=6075.Q=751050.17750.14450.11150.070450900135018002250Re图12PEC和j/f随Re变化Fig.12Variationof PECandj/fwithRe140114-Re=133388Q45-Re=889=60-Re=66762二75Re=667-Re44436100.0750.0940.1130.1320.1510.170j/f图13PEC和j/f对比Fig.13Comparison of PEC and j/f和阻力特性的影响，得到以下结论。（1）相较于传统板式换热器，板壳式换热器圆形波纹板间流动呈现先扩散然后收敛的流动特征，沿程流动速度呈现出先减小后增大的弧形分布；此外，板壳式换热器具有更小的流动阻力。（2）波纹倾角是影响圆形波纹板间流体流动形态的因素之一，随着增大，会出现“十字交叉流”向“曲折流”转变；为6 0 时，流道内的湍流程度最高，“曲折流”的扰动效果要明显高于“十字交叉流”。（3）基于不同波纹倾角下的f和Nu与Re的关系，所提出的关联式能够很好地预测板壳式换热器内阻力与换热性能，阻力特性偏差在14%范围内，换热特性偏差在土7%范围内。（4）基于j/f和PEC对流动特性折算程度的不同，为4 5时，j/f较大，流道内阻力相对小；为6 0 时，PEC较大，流道内换热性能相对强。参考文献1新华网.习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话.2 0 2 0-0 9-2 2 .http:/ 0 2 1-0 3-10Chen Lujun.To do a good job of carbon neutralization,in-dustrial parks must make contributions.China Environ-ment News,2021-03-103朱文超.中国发展低碳经济的能源效率及经济结构调整问题研究.博士论文.安徽：中国科学技术大学，2 0 13Zhu Wenchao.Research on energy efficiency and economicstructural adjustment in developing low-carbon economy inChina.Doctor Thesis.Anhui:University of Science andTechnology of China,20134王佳卓，阎昌琪，丁铭等.高压圆形板壳式换热器的设计与研究.核动力工程,2 0 14,35(2)：14 1-14 5Wang Jiazhuo,Yan Changqi,Ding Ming,et al.Design andresearch of high-pressure circular shell and plate heat ex-changer.Nuclear Power Engineering,2014,35(2):141-145(in Chinese)5王佳卓.一种耐高压的圆形波纹板板壳式换热器的设计及其传热特性的实验研究.科技创新与应用，2 0 15(12)：8-10Wang Jiazhuo.Design of a high-pressure circular corrug-ated shell and plate heat exchanger and experimental studyon its heat transfer characteristics.Science and TechnologyInnovation and Application,2015(12):8-10(in Chinese)6纪强，芦娅妮，高磊等.板壳式热交换器结构及应用概述.石油化工设备,2 0 14,4 3(3):54-58Ji Qiang,Lu Yani,Gao Lei,et al.Overview of the struc-ture and applica