流体机械

冷水温度/℃	冷水流量/（L⋅min^-1）	冷却液温度/℃	冷却液流量/（L⋅min^-1）	蒸汽温度/℃	蒸汽流量/（L⋅min^-1）
15	1	65	3.5	65	55~95
15	1	65	3.5	60~80	75
15	1	65	2~4	65	75
15	1	60~80	3.5	65	75

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15	1	60~80	3.5	65	75

基于水-汽双热源的板式换热器热工性能试验研究

杨正艺 ¹ , 王子龙 ¹ , 王栋 ²

流体机械 | 试验研究 2026,54(2): 10-17

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流体机械 |试验研究 2026 , 54 (2) : 10 -17

基于水-汽双热源的板式换热器热工性能试验研究

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杨正艺¹, 王子龙¹, 王栋²

作者信息

¹上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093

²安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243000

通讯作者:

王子龙（1984），男，博士，副教授，主要从事传热传质方向的研究，通信地址：200093上海市杨浦区军工路516号上海理工大学能源与动力工程学院，E-mail：wzl@usst.edu.cn。

作者简介:

杨正艺（2000），男，硕士研究生，主要从事传热传质方向的研究，E-mail：yz18337997225@163.com。

Experimental study on thermal characteristics of plate heat exchanger based on water-steam dual heat sources

Zhengyi YANG¹, Zilong WANG¹, Dong WANG²

Affiliations

¹College of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China

²School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243000，China

出版时间: 2026-02-28 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.02.002

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摘要

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针对质子交换膜燃料电池运行中产生大量废热而未能被有效回收的问题，为提升能源利用效率，设计一款水-汽双热源板式换热器。通过改变其进口工况，系统分析蒸汽与冷却液温度变化对换热器热工性能的影响。结果表明：随着蒸汽温度升高，蒸汽换热量占比最高可达总换热量的40%；随着冷却液温度升高，冷却液换热量占比最高可达总换热量的82%。试验中，蒸汽侧与冷却液侧的换热系数最高分别达到156.9，783.44 W/（m²⋅K），表明冷却液侧在双热源板式换热器中起主要作用。此外，随着蒸汽温度升高，换热效率逐渐下降；随着冷却液温度升高，换热效率逐渐上升；其中蒸汽温度对换热效率的影响更为显著，平均蒸汽温度每升高1 ℃，换热效率降低约0.74%。研究结果可为多热源余热回收提供参考。

关键词

双热源板式换热器 / 换热量 / 换热系数 / 换热效率

Abstract

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To address the issue of substantial waste heat generated during proton exchange membrane fuel cell operation not being effectively recovered，a water-steam dual‑heat source plate heat exchanger was designed to improve energy utilization efficiency.By varying its inlet conditions，the effects of steam and coolant temperature changes on the thermal characteristics of the heat exchanger were systematically analyzed.The results show that as the steam temperature increases，the proportion of steam heat exchange can reach up to 40% of the total heat exchange.As the coolant temperature increases，the proportion of coolant heat exchange can reach up to 82% of the total heat exchange.During the experiments，the heat transfer coefficients on the steam side and the coolant side reached maximum values of 156.9，783.44 W/（m²⋅K），respectively，indicating that the coolant side plays a dominant role in the dual‑heat source plate heat exchanger.Furthermore，as the steam temperature increases，the heat exchange efficiency gradually decreases；as the coolant temperature increases，the heat exchange efficiency gradually increases.Among these，steam temperature has a more significant impact on heat exchange efficiency：for every average increase of 1 ℃ in steam temperature，the heat exchange efficiency decreases by approximately 0.74%.The findings provide a reference for multi‑heat source waste heat recovery.

Key words

dual‑heat source plate heat exchanger / heat exchange capacity / heat transfer coefficient / heat exchange efficiency

引用本文

杨正艺, 王子龙, 王栋. 基于水-汽双热源的板式换热器热工性能试验研究. 流体机械, 2026 , 54 (2) : 10 -17 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.02.002

Zhengyi YANG, Zilong WANG, Dong WANG. Experimental study on thermal characteristics of plate heat exchanger based on water-steam dual heat sources[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (2) : 10 -17 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.02.002

正文

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0　引言

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随着全球环境问题日益严峻，风能、太阳能、潮汐能等清洁能源的大规模利用迫在眉睫^［1-6］。然而，风能、太阳能等可再生能源受气候与地域条件影响显著，无法持续稳定供能；而氢能可作为短期与长期的储能介质，实现连续利用，从而有效缓解可再生能源时空分布不均的问题^［7］。质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）是氢能利用的关键设备之一，具有能量密度高、启动迅速、清洁无污染等优点，在发电、交通等领域展现出良好的应用前景^［8-10］。然而，当PEMFC仅用于对外供电时，其能量利用率通常仅为40%~50%，其余能量主要以废热形式，随高温湿蒸汽及电池冷却液直接排入环境中^［11-14］。若能对这些废热进行回收利用，将有助于提高燃料的综合利用效率。

国内外在质子交换膜燃料电池余热回收方面的研究已取得丰富成果，众多学者致力于回收其废热用于发电。HASANI等^［15］采用换热器、温差发电器和散热器对燃料电池冷却液的热量进行回收，发现随着冷却液出口水温升高，温差发电器的转换效率显著提升；当水温达到68 ℃时，温差发电器的最大转换效率可达0.35%。类似地，ALAM等^［16］将温差发电机与金属氢化物气缸结合，用于回收冷却液的热量，结果表明该耦合系统能够有效回收燃料电池余热。此外，LONG等^［17］提出了一种热再生电化学循环系统，用于将燃料电池余热转换为电能，试验表明，集成该系统后，燃料电池系统的输出功率提升了6.85%至20.59%。

有机朗肯循环是余热回收的重要途径之一。AJAROSTAGHI等^［18］利用有机朗肯循环回收冷却液热量，并将其用于预热金属氢化物。研究结果表明，随着ORC工质质量流量的增加，系统热效率呈上升趋势。ANSARI等^［19］通过数学建模分析了基于有机朗肯循环的冷却液余热回收系统的可行性，结果显示该系统可将能源利用率提高约35%。HE等^［20］则研究了有机朗肯循环与热泵相结合的联合系统用于回收质子交换膜燃料电池冷却液余热的潜力，结果表明联合系统的热回收效率高于单一有机朗肯循环系统。

此外，HWANG等^［21］基于质子交换膜燃料电池构建了热电联供系统，用于回收冷却液余热，以同时提供电能与可利用的热能（冷却液）。结果表明，该系统最高效率可达81%。AHMADI等^［22］提出一种结合跨临界二氧化碳循环与液化天然气循环的混合系统，用以回收冷却液废热，研究表明该系统的发电功率较单独使用燃料电池时提升了39%。LI等^［23］设计了一种组合系统，通过有机朗肯循环回收冷却液余热，并利用尾气余热预热入口燃料。试验结果表明，相较于单独的质子交换膜燃料电池系统，该组合系统的输出功率提高了12.95%。

综上所述，当前针对质子交换膜燃料电池余热回收的研究主要集中在冷却液热量的回收利用，而对于尾气与冷却液热量同时回收利用的研究尚显不足。为此，本文设计了一种汽-液双热源板式换热器，用于梯级回收质子交换膜燃料电池的尾气及冷却液余热，并研究了该换热器热工性能的影响参数，以期为提高能源利用效率提供参考。

1　水-汽双热源余热回收系统

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1.1　系统原理

与传统电池不同，氢燃料电池是一种发电装置而非储能装置。氢气从阳极进入燃料电池，并在催化剂作用下解离为质子和电子。质子穿过电解质（即质子交换膜）到达阴极；电子则通过外部电路流向阴极，其定向运动形成电流，从而对外供电。氧气通过导气板或流道输运至阴极，在阴极处与质子、电子重新结合，生成高温湿蒸汽。氢燃料电池的最佳工作温度通常为60~80 ℃。若电堆温度过高，可能导致燃料电池内部组件损坏，严重影响其正常运行，甚至引发安全隐患；若温度过低，则会降低燃料电池的发电性能，造成反应原料浪费，并可能引起“电极淹水”现象^［24］。因此，良好的热管理系统对提升氢燃料电池的使用寿命及系统整体能效至关重要。氢燃料电池的废热主要来源于两部分：一是化学反应产生的高温蒸汽所含热量，二是用于冷却燃料电池后升温的冷却液所携带的热量。传统的余热回收方式通常仅回收冷却液热量，而忽视了蒸汽热量的回收。文中所设计的水-汽双热源板式换热器，通过冷水梯级回收燃料电池尾气与冷却液中的热量，从而有效提高能源综合利用效率。

系统运行原理如图1所示。质子交换膜燃料电池的尾气与冷却液均携带大量可回收热量。由于气体的比热容通常低于液体，因此尾气携带的热量相对较少。冷水进入水‑汽双热源板式换热器后，首先与热量较少的尾气进行换热；吸收尾气热量后，冷水温升较小，仍与冷却液之间存在较大温差，因而可继续与冷却液进行高效换热。尾气经冷水冷却后排出室外，冷却液被冷水降温后重新进入燃料电池，以带走电堆运行产生的热量；而吸收尾气与冷却液热量后的冷水则进入蓄热水箱储存。

1.2　水-汽双热源板式换热器

水-汽双热源板式换热器如图2所示，该换热器包含3个回路：尾气回路、冷却液回路和冷水回路。其内部划分为2个换热区域：第一区域为冷水与尾气进行换热，尾气经冷却后排出换热器；冷水吸收尾气热量后，汇流至同一通道进入第二区域，与流入换热器的高温冷却液进行换热。

水-汽双热源板式换热器的高度为200 mm，宽度为70 mm，通道直径为15 mm。不锈钢管连接至换热器各通道的入口与出口，在距离入口和出口20 mm处分别布置热电偶，用于测量进出换热器的流体温度。

燃料电池尾气的主要成分为高温水蒸气。为研究水-汽双热源板式换热器的热工性能，使用去离子水作为冷却液，在质子交换膜燃料电池正常运行工况（冷水温度15 ℃、流量1 L/min；冷却液温度65 ℃、流量3.5 L/min；蒸汽温度65 ℃、流量75 L/min）下，分别改变换热器进口的冷却液与尾气工况，以探究两者对换热器热工性能的影响。

1.3　测量设备

热水流量计采用优科公司生产的电磁流量计，其流量测量范围为0.05 ~ 15.00  L/min，直流工作电压为24  V，适用流体温度为-25 ~ 80  ℃，测量精度为±1%。冷水流量计采用横河公司生产的电磁流量计，其流量测量范围为0.01 ~10.00  L/min，交流工作电压为220  V，适用流体温度为-40 ~ 130  ℃，测量精度为±1%。

2　板式换热器热工性能计算公式

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2.1　蒸汽侧换热系数

蒸汽换热量计算公式如下：

Q G = q m (H 1 - H 2)

（1）

式中，q_m为蒸汽质量流量，kg/s；H₁，H₂分别为蒸汽进口与出口的焓值，kJ/kg。

对数平均温差计算公式如下：

L M T D 1 = (t G 1 - t C W 2) - (t G 2 - t C W 1) l n [(t G 1 - t C W 2) / (t G 2 - t C W 1)]

（2）

K 1 = Q G F 1 L M T D 1

（3）

式中，t_G₁为蒸汽进入双热源板式换热器的温度，℃；t_CW₂为冷水经蒸汽加热后的温度，℃；t_G₂为蒸汽流出双热源板式换热器的温度，℃；t_CW₁为冷水进入双热源板式换热器的温度，℃；K₁为蒸汽侧平均换热系数，W/（m²·K）；F₁为蒸汽与冷水换热部分的面积，m²。

2.2　冷却液侧换热系数

冷却液换热量计算公式为：

Q H W = c 2 m 2 (t H W 1 - t H W 2)

（4）

L M T D 2 = (t H W 1 - t C W 3) - (t H W 2 - t C W 2) l n [(t H W 1 - t C W 3) / (t H W 2 - t C W 2)]

（5）

K 2 = Q H W F 2 L M T D 2

（6）

式中，c₂为冷却液的比热容，J/（kg⋅℃）；m₂为冷却液的质量流量，kg/s；t_HW₁为冷却液进口温度，℃；t_CW₃为冷水最终出口温度，℃；t_HW₂为冷却液出口温度，℃；K₂为冷却液侧平均换热系数，W/（m²·K）；F₂为冷却液与冷水换热部分的面积，m²。

2.3　换热效率

总放热量为：

Q t o t a l = Q G + Q H W

（7）

总吸热量为：

Q C W = c 1 m 1 (t C W 3 - t C W 1)

（8）

η = Q C W Q t o t a l × 100 %

（9）

式中，C₁为冷水的比热容，J/（kg·℃）；m₁为冷水的质量流量，kg/s；η为换热器的换热效率。

3　试验结果及数据分析

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在冷水工况保持15℃、流量1 L/min的条件下，研究蒸汽工况与冷却液工况对水-汽双热源板式换热器热工性能的影响。具体试验工况如表1所示。

3.1　换热量

双热源板式换热器的总换热量即为冷水的总吸热量Q_CW，由蒸汽和冷却液的放热量共同决定。蒸汽流量及温度对换热量的影响如图3所示。

从图3（a）可见，冷水总吸热量由蒸汽流量55 L/min时的2 864.03 W升高至95 L/min时的3 018.82 W，增长5.4%；蒸汽换热量则由447.13 W增加至773.36 W，增长72.96%，平均蒸汽流量每增加1 L/min，蒸汽换热量相应增加约1.82%。随着蒸汽流量的增大，蒸汽换热量在冷水总吸热量中的占比也逐渐上升。这是由于蒸汽流量增加后，更多蒸汽进入换热器，与换热板片的接触更为充分，从而增强了冷水与蒸汽之间的热交换。

蒸汽温度对换热量的影响如图3（b）所示。冷水总吸热量由蒸汽温度60 ℃时的2 851.1 W增加到80 ℃时的3 498.49 W，增幅为22.71%；蒸汽换热量由475.06 W增加至1 401.96 W，增长195.11%，平均蒸汽温度每升高1 ℃，蒸汽换热量约增加9.76%。随着蒸汽温度升高，蒸汽换热量在冷水总吸热量中的占比逐渐增大。冷却液的换热量则由2 357.71 W降低至1 918.71 W，降低18.62%，平均蒸汽温度每升高1 ℃，冷却液换热量约降低0.93%。这是由于随着蒸汽进口温度升高，其比焓相应增大，凝结释放的热量增加，从而增强了冷水与蒸汽侧的换热；同时，冷水从蒸汽侧吸收更多热量后，与冷却液之间的温差减小，导致冷却液侧的换热效果减弱。

在冷水温度15 ℃、流量1 L/min，蒸汽温度65 ℃、流量75 L/min，冷却液温度65 ℃的条件下，冷却液流量对换热量的影响如图4（a）所示。冷水总吸热量由冷却液流量2 L/min时的2 513.65 W增加到4 L/min时的3 041.55 W，增长21%；冷却液换热量由1 898.12 W增加至2 426.84 W，增长27.86%，平均冷却液流量每增加1 L/min，冷却液换热量约增加13.93%；蒸汽换热量则基本保持不变。这是由于蒸汽先与冷水进行换热，冷却液流量的变化对蒸汽-冷水换热过程影响不大；随着冷却液流量增大，进入换热器的热量增加，冷水从冷却液吸收的热量也随之增加，从而使得冷水总吸热量上升，而蒸汽换热量所占比例相应减小。

在冷水温度15 ℃、流量1  L/min，蒸汽温度65 ℃、流量75  L/min，冷却液流量3.5  L/min的条件下，冷却液温度对换热量的影响如图4（b）所示。冷水总吸热量由冷却液温度60 ℃时的2 727.11  W增加至80 ℃时的3 839.29  W，增长40.78%；冷却液换热量由2 096.81  W增加至3 145.71  W，增长50.02%，平均冷却液温度每升高1 ℃，其换热量约增加2.5%；蒸汽放热量则基本保持稳定。这是由于冷却液温度升高后，其与冷水间的温差增大，从而强化了换热效果，使得冷却液换热量显著增加。

3.2　换热系数

蒸汽流量及温度对蒸汽侧换热系数的影响如图5所示。从图5（a）可见，在蒸汽温度为65 ℃的条件下，蒸汽侧换热系数由进口流量55 L/min时的57.78 W/（m²⋅K）升至95 L/min时的114.04 W/（m²⋅K），增长97.36%。这主要是由于蒸汽流量增大后，换热器内部蒸汽流速提高，破坏了凝结在板面的水膜，从而降低了热阻，增强了蒸汽与冷水之间的换热。从图5（b）可见，在蒸汽流量为75 L/min的条件下，蒸汽侧换热系数由蒸汽温度60  ℃时的72.89  W/（m²⋅K）升高至80  ℃时的156.9  W/（m²⋅K），增长115.27%。这主要是由于随着蒸汽进口温度升高，蒸汽与冷水之间的温差增大，从而强化了换热效果，使得蒸汽侧换热系数显著提升。

冷却液流量及温度对冷却液侧换热系数的影响如图6所示。

从图6（a）可见，在冷却液温度为65 ℃的条件下，冷却液侧换热系数随进口流量的增大而增加，由流量2 L/min时的524.30 W/（m²⋅K）升高至4 L/min时的768.98 W/（m²⋅K），增幅为46.67%。这是由于随着冷却液流量增加，其在板式换热器内部的流速相应提高。流体在波纹板面上流动时产生的剪切作用，以及因波纹表面引起的流速大小与方向不断变化，使得在较低流速下即可达到湍流状态（Re在200左右即进入湍流）^［25-26］。冷却液流量从2 L/min增至4 L/min时，对应工况下的雷诺数分别为314.22，395.63，479.59，564.32，648.96，表明湍流程度逐渐增强，壁面热边界层被破坏，从而强化了换热。

从图6（b）可见，冷却液流量3.5 L/min条件下，冷却液侧换热系数由60  ℃时的710.86  W/（m²⋅K）增加至80  ℃时的783.44  W/（m²⋅K），增幅为10.21%。这是由于在其他条件不变的情况下，冷却液温度升高会导致其动力黏度下降，流动阻力减小，从而强化换热效果，使得换热系数相应提高。

综上可知，蒸汽侧与冷却液侧的换热系数最高分别达到156.9  W/（m²⋅K）与783.44  W/（m²⋅K）。冷却液侧的换热系数明显高于蒸汽侧，表明在双热源板式换热器中，冷却液侧起主要换热作用。

3.3　换热效率

蒸汽流量及温度对换热效率的影响如图7所示。从图7（a）可见，在蒸汽温度为65 ℃的条件下，换热效率由蒸汽流量55 L/min时的93.18%降至95 L/min时的90.24%，降幅为2.94%。蒸汽释放的热量由两部分组成：一部分是蒸汽冷凝释放的潜热，另一部分是蒸汽或冷凝水状态下的显热。随着蒸汽流量逐渐增加，部分蒸汽液化后仍携带部分显热，未充分释放即被排出换热器，导致热量回收不充分，热损失增加，换热效率因而降低。从图7（b）可见，在蒸汽流量为75 L/min的条件下，换热效率由蒸汽温度60 ℃时的93.95%降至80 ℃时的79.21%，降幅为14.75%。这主要是因为随着蒸汽进口温度升高，其进口比焓增加，相变释放的热量随之增多，使得被蒸汽加热后的冷水温度升高，导致冷水与冷却液之间的温差减小，冷却液侧的换热效果因而减弱，冷水从冷却液的吸热量降低。热损失的增加最终造成双热源板式换热器的整体换热效率下降。

冷却液流量及温度对换热效率的影响如图8（a）所示。从图8（a）可见，冷却液温度为65 ℃的条件下，换热效率随冷却液流量的增加呈先升后降趋势：由流量2  L/min时的88.88%升至3  L/min时的90.66%，随后在4  L/min时降至89.74%。这主要是因为随着冷却液流量增大，其在换热器内部的流动分布更均匀，与板面接触更加充分，从而增强了冷却液与冷水之间的换热，使效率有所提升；然而当流量继续增加时，冷却液流速过快，其在板面的停留时间缩短，与冷水的热交换未充分进行，导致换热效率转而降低。从图8（b）可见，冷却液流量为3.5 L/min的条件下，换热效率由冷却液温度60  ℃时的85.3%升至80  ℃时的92.41%，增幅为7.11%。这主要是由于冷却液温度升高，其与冷水之间的传热温差增大，换热驱动力增强，使得冷却液释放的热量更多地被冷水吸收，从而提高了双热源板式换热器的整体换热效率。

综上所述，蒸汽温度与冷却液温度对双热源板式换热器的换热效率具有显著影响。随着蒸汽温度升高，换热效率逐渐降低；而随着冷却液温度升高，换热效率则逐渐提高。相比之下，蒸汽温度对换热效率的影响更为显著：平均蒸汽温度每升高1 ℃，换热效率下降约0.74%。

4　结论

收起

（1）随蒸汽流量与温度的升高，蒸汽换热量在冷水总吸热量中的占比逐渐增大，其中温度对蒸汽换热量的影响较为显著。在冷水温度15 ℃、流量1  L/min，冷却液温度65  ℃、流量3.5  L/min，蒸汽流量75  L/min的条件下，蒸汽换热量占比最高可达冷水总吸热量的40%。同样，随着冷却液流量与温度的升高，冷却液换热量在冷水总吸热量中的占比也逐渐增加，且温度对其占比的影响更为明显。在冷水温度15  ℃、流量1  L/min，蒸汽温度65  ℃、流量75  L/min，冷却液流量3.5  L/min时，冷却液换热量占比最高可达冷水总吸热量的82%。

（2）试验中，蒸汽侧与冷却液侧的换热系数最高分别可达156.9 ，783.44 W/（m²⋅K），表明在双热源板式换热器中冷却液侧起主要换热作用。

（3）蒸汽温度与冷却液温度对双热源板式换热器的换热效率具有显著影响。随着蒸汽温度升高，换热效率逐渐降低；而随着冷却液温度升高，换热效率则逐渐上升。

参考文献

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2026年第54卷第2期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.02.002

接收时间：2025-06-24
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-02-28

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收稿日期：2025-06-24
修回日期：2026-01-09

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¹上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093

²安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243000

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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