朱康輝，張鎖龍，2

（1 常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016；2 常州市過(guò)程裝備工程技術(shù)中心，江蘇 常州 213016）

板式換熱器是一種高效緊湊型的熱交換設(shè)備，由于其傳熱效率高、壓降低、體積小、質(zhì)量輕、污垢系數(shù)低、拆卸方便、板片品種多等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。文獻(xiàn)[2]研究了一種在水平波的基礎(chǔ)上疊加垂直波，對(duì)錯(cuò)流流動(dòng)的冷熱流體產(chǎn)生擾動(dòng)，在低流速狀態(tài)下達(dá)到湍流的新型板式換熱器?？紤]在其余條件相同的情況下，相比錯(cuò)流布置，在逆流布置時(shí)冷、熱流體具有更大的平均溫差，可以進(jìn)行更大的熱量交換，提高傳熱效率。本文研究的是一種逆流布置的雙波紋板式換熱器，利用數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，以場(chǎng)協(xié)同理論為指導(dǎo)，對(duì)雙波紋板式換熱器流道中的流場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 物理模型與計(jì)算方法

由于雙波紋板式換熱器的波紋與對(duì)頂排列方式的對(duì)稱性，本文選取換熱器中的部分板束進(jìn)行模擬，冷熱流體的對(duì)流方式為局部錯(cuò)流整體逆流。模型采用四板三流道形式，雙波紋板束的波周期45mm，波幅15mm，板間距15.2mm（建模時(shí)存在體交叉現(xiàn)象，取的板間距略大于實(shí)際值），計(jì)算區(qū)域?yàn)?70mm×1125mm，如圖1(a)所示，圖1中冷流體入口由于角度問(wèn)題無(wú)法顯示?？紤]換熱器板束冷熱交替的周期性，選取熱流道的中間截面為模型的上下周期邊界，即只研究上下周期邊界內(nèi)的流道狀況，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，圖1(b)為上下周期邊界內(nèi)局部網(wǎng)格的放大。

邊界條件設(shè)定如下。①入口邊界：冷熱流體入口采用速度進(jìn)口邊界，設(shè)置空氣進(jìn)入流道時(shí)的速度、溫度及湍流條件。固定冷空氣的入口速度及溫度，通過(guò)改變熱側(cè)空氣的入口速度和溫度，模擬不同工況下的傳熱情況。出口邊界：冷熱流體的出口均采用壓力出口邊界，以充分發(fā)揮自由流動(dòng)出口邊界條件。②板束中間兩個(gè)雙波紋板片均采用壁面邊界的耦合類型（wall-couple），即為流體與換熱面產(chǎn)生對(duì)流換熱，板片厚度為0.8mm，材料為304不銹鋼。③模型的上下邊界面為周期邊界，如圖1(b)；④其他壁面采用默認(rèn)的wall；⑤冷熱流體材料采用空氣。

湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，利用穩(wěn)態(tài)隱式格式。壓力和速度的耦合計(jì)算采用SIMPLE方法。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同熱側(cè)入口尺寸對(duì)換熱性能的影響規(guī)律

由于換熱器冷熱流體逆流布置可能存在的流體進(jìn)出設(shè)備的空間位置沖突，所以本文研究的雙波紋板束在設(shè)計(jì)時(shí)采用板束兩端錯(cuò)流進(jìn)出、整體逆流換熱的布置方式。板束的中央?yún)^(qū)域?yàn)槌浞帜媪鲄^(qū)域，在板束兩端的過(guò)渡區(qū)域，冷熱流體的對(duì)流方式介于逆流和錯(cuò)流之間。為了研究不同的熱流體入口長(zhǎng)度（及充分逆流區(qū)域與過(guò)渡區(qū)域的大小）對(duì)傳熱效率的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變熱流體入口的長(zhǎng)度，模擬不同參數(shù)下?lián)Q熱板的換熱狀況，確定熱入口長(zhǎng)度對(duì)傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，并得到熱入口的最佳理論值，為實(shí)物試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

模擬中冷熱流體的入口速度均保持8m/s不變，熱流體溫度為330K，冷流體溫度為300K，對(duì)熱入口長(zhǎng)度在225mm、247.5mm、270mm、292.5mm、315mm和337.5mm的不同模型進(jìn)行傳熱模擬，并計(jì)算板片的傳熱系數(shù)。結(jié)果如圖2。

從模擬結(jié)果可以看出，增大熱入口的長(zhǎng)度，在熱流體入口速度一定時(shí)，也就是增大了熱流體的流量，與在熱口尺寸不變時(shí)提高入口速度的情況類似，增加了進(jìn)入熱流體的熱量，可以提升換熱器內(nèi)冷熱流體的平均溫差，加強(qiáng)冷熱流體的對(duì)流換熱，從而提高傳熱效率；但是隨著熱流體流量的提升，熱流體的出口溫度也在以很小的速度逐漸增加，熱流體出口溫度增加，體現(xiàn)的是熱流體在板束內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行換熱，對(duì)傳熱效率有負(fù)面的影響；綜合兩種因素，在熱入口長(zhǎng)度增加到 300mm之前，耦合換熱面的傳熱系數(shù)隨著入口長(zhǎng)度增加而增大。

圖2 熱入口長(zhǎng)度和傳熱系數(shù)的變化關(guān)系

在本模擬的模型中，冷熱流體采用的對(duì)流方式是局部錯(cuò)流、整體逆流的對(duì)流方式。本文作者認(rèn)為在板束的中央?yún)^(qū)域?yàn)槌浞帜媪鲄^(qū)域，在板束兩端的過(guò)渡區(qū)域，冷熱流體的對(duì)流方式介于逆流和錯(cuò)流之間。

在其他工作參數(shù)固定時(shí)，冷熱流體的逆流布置可以比錯(cuò)流布置獲得更高的傳熱效率。隨著熱入口長(zhǎng)度增加，流道內(nèi)的錯(cuò)流到逆流的過(guò)渡區(qū)域范圍也逐漸增加，即冷熱流體的充分逆流區(qū)域逐漸減小，對(duì)耦合換熱面的傳熱系數(shù)有負(fù)面削弱，該削弱作用與熱流體流量增加的加強(qiáng)作用共同影響耦合換熱面的換熱性能。在熱流體入口長(zhǎng)度增加到一定時(shí)，耦合換熱面的傳熱系數(shù)達(dá)到峰值，繼續(xù)增加熱入口長(zhǎng)度，耦合面?zhèn)鳠嵯禂?shù)開(kāi)始逐漸下降。從圖2中可以確定最佳尺寸為300mm，近似等于板片的寬度。

2.2 不同冷熱流體入口速度對(duì)換熱性能與流動(dòng)性能的影響規(guī)律

為了研究冷熱流體不同的入口速度對(duì)板束換熱性能與流動(dòng)性能的影響規(guī)律，對(duì)最佳尺寸的模型進(jìn)行兩組模擬：第一組固定熱流體入口速度（8m/s），改變冷流體的入口速度；第二組固定冷流體入口速度（8m/s），改變熱流體的入口速度，得出模型中耦合換熱面的傳熱系數(shù)與流體流經(jīng)流道后的壓降。模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

模擬結(jié)果說(shuō)明提升熱側(cè)入口速度和冷側(cè)入口速度都可以提升換熱面的傳熱系數(shù)。從相同的工作參數(shù)開(kāi)始，分別增大冷入口速度和熱入口速度，傳熱系數(shù)從同一位置開(kāi)始升高，但是升高的趨勢(shì)略有差異，說(shuō)明熱流體速度的變化對(duì)傳熱系數(shù)的影響要略大于冷流體。流體的壓降變化只出現(xiàn)在流體本身入口速度變化的條件下，保持入口速度不變時(shí)，該流體的壓降也不發(fā)生變化，并不受另一側(cè)流體的影響，由于熱側(cè)流道存在的“拐彎”現(xiàn)象，熱流體的壓降也明顯大于冷流體。

圖3 傳熱系數(shù)與不同流體入口速度的關(guān)系

圖4 壓力降與不同流體速度的關(guān)系

對(duì)比圖3和圖4，隨著入口速度的增大，雷諾數(shù)也不斷增大，換熱強(qiáng)度明顯提升，但是對(duì)應(yīng)流體的壓降呈現(xiàn)指數(shù)增加，流速越高，流道內(nèi)流阻的影響就越明顯，當(dāng)速度增大到一定程度時(shí)，壓力降達(dá)到非常高的數(shù)值，傳熱系數(shù)將停止增長(zhǎng)。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，經(jīng)常選用12～15m/s作為流體的入口速度。

為了方便觀察流道內(nèi)流體的流態(tài)、流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)，取冷流體為8m/s、300K和熱流體為 10m/s、330K的模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理，在Fluent軟件自帶后處理中創(chuàng)建 X=135mm截面、Z=270mm截面、Z=400mm截面、Z=562.5mm截面、Z=725mm截面、Z=855mm截面，其中 X=135mm截面為沿X軸方向（板片寬度寬度）的中心截面，垂直于Z軸方向（板片長(zhǎng)度方向）的5個(gè)截面以中間截面相互對(duì)稱，通過(guò)不同位置截面上的變化來(lái)反應(yīng)模型內(nèi)部的換熱狀況，如圖5、圖6所示。

從圖5中可以看出，模型中流體的流動(dòng)受換熱面雙波紋結(jié)構(gòu)的影響較大，特別在波紋結(jié)構(gòu)的對(duì)頂位置流線密集，流場(chǎng)變化很大，整體處于湍流狀態(tài)，波紋結(jié)構(gòu)不斷改變流體的流動(dòng)方向，也是造成冷熱流體流過(guò)換熱流道后產(chǎn)生較高壓降的一個(gè)重要原因。圖6所示為各個(gè)截面的溫度云圖，流道內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化主要集中在換熱面的近壁面處，結(jié)合近壁面處的流場(chǎng)變化，可以通過(guò)場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)雙波紋板片強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行分析。

2.3 基于場(chǎng)協(xié)同原理的板片傳熱分析

換熱器性能的提高通常有兩種方式[3]：第一種方式是提高換熱面與流體之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當(dāng)然，也可以在場(chǎng)協(xié)同理論的指導(dǎo)下提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；第二個(gè)層次是通過(guò)改變流體的對(duì)流方式來(lái)改變換熱性能，或者說(shuō)在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或總的傳熱系數(shù)一定的條件下，通過(guò)改善換熱器中進(jìn)行熱交換的熱流體和冷流體溫度場(chǎng)與速度矢量之間的協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)協(xié)同原理[4]指出，對(duì)流換熱的強(qiáng)度不僅取決于流速、溫度和流體物性，還取決于速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同程度。本文采用積分中值平均角為平均協(xié)同角[5]來(lái)對(duì)協(xié)同程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖5 模型內(nèi)部的流場(chǎng)圖

圖6 模型內(nèi)部的溫度云圖

為了說(shuō)明雙波紋板式板束較普通平直板束的優(yōu)勢(shì)，本文建立了一個(gè)平直板束的模型，參數(shù)與模擬條件與雙波紋板束模型一樣，運(yùn)用 Fluent自帶的UDF（user defined function）編寫(xiě)速度矢量與溫度梯度矢量的平均角進(jìn)行模擬計(jì)算，從結(jié)果云圖中分離出平均協(xié)同角并利用origin軟件繪制沿Z軸的變化趨勢(shì)圖，如圖7。

從圖7中可以看出，沿著Z軸方向，平直板束的協(xié)同角變化很小，保持近90°。雙波紋板束則呈現(xiàn)周期性變化，在相鄰板片的對(duì)頂位置協(xié)同角要明顯小于其余位置，而在波紋的平衡位置處平均協(xié)同角偏大。這說(shuō)明雙波紋流道的協(xié)同性好于平直流道，而且在雙波紋板束內(nèi)板片對(duì)頂位置的協(xié)同性最好，換熱較其余位置更加劇烈。

圖7 平均協(xié)同角的變化趨勢(shì)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

圖8 實(shí)驗(yàn)示意圖與數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)位

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象是氣-氣換熱下的雙波紋板式換熱器，實(shí)驗(yàn)示意圖與數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)如圖8所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。該雙波紋板式換熱器性能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，雙波紋板式換熱器由 20片雙波紋板片對(duì)頂焊接的板束焊上換熱器外殼后制成，換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，材料為304不銹鋼；冷空氣為常溫空氣由鼓風(fēng)機(jī)直接鼓人冷流體通道；熱空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)鼓出，在入口處設(shè)置3根電阻絲加熱后，垂直于冷流體入口方向進(jìn)入熱流道，分別經(jīng)過(guò)兩端過(guò)渡區(qū)域后進(jìn)行逆流換熱。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)中的主要測(cè)量對(duì)象為改變熱（冷）流體入口狀態(tài)時(shí)冷（熱）流體出口的速度和溫度及流體的壓力降。

a.保持冷側(cè)風(fēng)閥的位置不變，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始調(diào)節(jié)熱側(cè)風(fēng)閥，改變熱側(cè)風(fēng)速，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用數(shù)字風(fēng)速儀和點(diǎn)溫儀按圖8所示測(cè)量換熱器冷熱流體不同流道進(jìn)出口的速度和溫度，再使用壓差計(jì)讀出冷熱流體流經(jīng)不同流道的壓降，求平均值得到測(cè)量結(jié)果。

b.調(diào)節(jié)并保持熱側(cè)風(fēng)閥的位置不變，待穩(wěn)定后重復(fù)調(diào)節(jié)冷側(cè)風(fēng)閥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定后重復(fù)a組的數(shù)據(jù)測(cè)量流程。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)a、b兩組實(shí)驗(yàn)的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（表2、表3），模擬結(jié)果的傳熱系數(shù)和壓降都比實(shí)驗(yàn)結(jié)果大 10%左右，二者的變化趨勢(shì)也一致，說(shuō)明雙波紋板式換熱器的數(shù)值模擬基本合理。

3.4 誤差分析

分析表2、表3，產(chǎn)生誤差的主要原因可能有以下幾點(diǎn)。

（1）實(shí)物制作時(shí)的誤差 由于板片的波紋通過(guò)壓制得到，在板片四周存在沒(méi)有波紋的平板區(qū)域，這部分區(qū)域在模擬模型中被簡(jiǎn)化成了面積稍小的波紋區(qū)域，即模型和實(shí)物的板片在結(jié)構(gòu)上有細(xì)微的不同；而且在板片進(jìn)行縫焊的過(guò)程中，由于溫度較高，板片產(chǎn)生熱變形，在整個(gè)換熱器的制作過(guò)程中存在焊接偏差，波紋存在形變，板間距分布不均勻，和模擬模型的既定尺寸存在差異，這是造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果差異的主要原因。

（2）實(shí)際流體和模擬流體的誤差 數(shù)值模擬中的冷熱流體是各狀態(tài)下的冷熱空氣，垂直于入口截面均勻進(jìn)入流道，流體的物性在材料選擇時(shí)已固定，而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于溫度和壓力的變化，冷熱空氣的物性必然發(fā)生變化，也必定帶來(lái)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。再者，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，實(shí)驗(yàn)中冷熱流體進(jìn)入流道時(shí)分布不均勻，流體入口速度的方向也不完全垂直于入口截面，這也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

表2 a組實(shí)驗(yàn)值和模擬值的比較（熱流體改變）

表3 b組實(shí)驗(yàn)值和模擬值的比較（冷流體改變）

（3）測(cè)量誤差 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，各待測(cè)量并不是固定某一數(shù)值不變，而是在小范圍內(nèi)波動(dòng)，加之流道數(shù)目較多，不同位置的數(shù)值也有差異，數(shù)字風(fēng)速計(jì)和點(diǎn)溫儀顯示的數(shù)值都是在該小范圍內(nèi)波動(dòng)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，壓差計(jì)的數(shù)據(jù)讀取也是如此，而最終用于數(shù)據(jù)處理的溫度、速度和壓降都是通過(guò)記錄同一出入口截面上不同位置的測(cè)量結(jié)果后求平均值得到的，不同于數(shù)值模擬可以從收斂結(jié)果直接得到出入口截面的平均速度與溫度，這也是造成誤差的原因之一。

（4）模擬建模時(shí)帶來(lái)的誤差 在數(shù)值模擬的模型建立過(guò)程中，如果模型太過(guò)繁復(fù)，數(shù)值計(jì)算將難以進(jìn)行，因此必須進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化。比如實(shí)驗(yàn)中對(duì)象是20個(gè)板片組成的整體換熱器，而數(shù)值模擬中是添加上下周期邊界的4板3流道的模型；又如由于模型網(wǎng)格劃分的需要，相鄰板片不能相接觸，因此模型的板間距略大于實(shí)際值（15mm），取值15.2mm。這些都會(huì)造成實(shí)驗(yàn)值和模擬值的誤差。

（5）計(jì)算誤差 如對(duì)數(shù)平均溫差修正系數(shù)、黏度系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)往往為查詢值或者近似值，以及所運(yùn)用的計(jì)算公式存在一些假定條件，由此在計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)產(chǎn)生精度上的誤差。

4 結(jié) 論

本文采用Fluent軟件，建立雙波紋板式換熱器板束的耦合換熱模型進(jìn)行數(shù)值模擬，利用場(chǎng)協(xié)同原理分析其強(qiáng)化傳熱機(jī)理的同時(shí)對(duì)雙波紋板式換熱器進(jìn)行傳熱實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。結(jié)論如下。

（1）雙波紋板束的熱側(cè)入口尺寸近似等于板片寬度時(shí)，板束的傳熱效率最高。

（2）提高冷熱流體的入口速度都可以提高換熱板片的傳熱效率。但是流體入口速度過(guò)高時(shí)，流體本身的壓降上升非常明顯，而對(duì)傳熱系數(shù)的影響不是很大，說(shuō)明不能無(wú)限制通過(guò)增大流體入口速度來(lái)提高傳熱系數(shù)。

（3）雙波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體易形成湍流，板束內(nèi)的平均協(xié)同角遠(yuǎn)小于相同參數(shù)下的平直板束，板束相鄰板片的對(duì)頂位置平均協(xié)同角大于其余位置，強(qiáng)化傳熱的作用十分明顯。

（4）雙波紋板式換熱器在實(shí)驗(yàn)條件下傳熱系數(shù)最高可達(dá)61.32W/(K?m2)，是相同工況下普通列管和翅片管式換熱器的2倍左右。

[1] 張曉峰.淺談板式換熱器[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19（10）：222-224.

[2] 王平，張鎖龍，郝存根.雙波紋板束傳熱與流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，4：232-233.

[3] 林宗虎.強(qiáng)化傳熱技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：2-6.

[4] 過(guò)增元.對(duì)流換熱的物理機(jī)制及其控制：速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的協(xié)同[J].科學(xué)通報(bào)，2000，45（19）：2118-2122.

[5] 周俊杰，陶文銓，王定標(biāo).場(chǎng)協(xié)同原理評(píng)價(jià)指標(biāo)的定性分析和定量探討[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（2）：45-47.