張仲彬 劉樂(lè)宜 王丙林 徐志明
(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)
板式換熱器(PHE)由于具有傳熱效率高、易維護(hù)及有效利用低溫能源等特點(diǎn),多年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。板式換熱器大多應(yīng)用在液液流動(dòng)中,隨著研究領(lǐng)域的拓展,在現(xiàn)代許多行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備中都涉及到氣液兩相流動(dòng),所以近些年對(duì)于氣液兩相流動(dòng)的研究逐漸增多。
兩相流各參數(shù)的在線實(shí)時(shí)測(cè)量與控制是生產(chǎn)穩(wěn)定的重要保證[1]。近幾年對(duì)兩相流在微通道中的研究取得了一些成果[2,3],趙楠用數(shù)值方法對(duì)垂直入口型微通道中的氣液兩相流進(jìn)行了研究[4],闡述了氣泡、氣塞的生成原因和過(guò)程。Masuo Kaji等研究了微通道中的氣液兩相流,發(fā)現(xiàn)流體流動(dòng)方向、管道材料和加熱條件對(duì)流動(dòng)時(shí)的摩擦壓降影響不大,并且空隙率隨著管子直徑的減小而減小[5]。但由于板式換熱器中的流動(dòng)比較復(fù)雜,所以關(guān)于板式換熱器中兩相流研究的文獻(xiàn)還不是很多。Shiomi Y等研究了混合波紋角人字形板通道中的氣液兩相流動(dòng),發(fā)現(xiàn)在水平流動(dòng)時(shí)可觀察到層流和擴(kuò)散流,并且在水平流動(dòng)中兩相流型和壓降受上板片波紋角的影響很大[6]。Nilpueng K和Wongwises S對(duì)單流道板式換熱器中氣水兩相流進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在逆流垂直向上和向下流動(dòng)中氣水速度對(duì)兩相壓降有很大影響,但兩相的流型對(duì)壓力損失影響不大[7]。Vlasogiannis P等對(duì)板式換熱器中氣液兩相流流動(dòng)形式和傳熱系數(shù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)流道中為帶有連續(xù)氣相的流動(dòng)或以溪流形式流動(dòng)時(shí)對(duì)傳熱特性的改善很有幫助[8]。
為了充分利用板式換熱器熱損失小、阻力損失小等優(yōu)點(diǎn),對(duì)氣液兩相流條件下板式換熱器性能的研究是必要的。因此,筆者用數(shù)值模擬方法對(duì)板式換熱器中氣液兩相流的流動(dòng)換熱和氣體在流道中的分布進(jìn)行了研究,找出適合換熱、減小壓降的最佳參數(shù),為換熱器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供依據(jù)。
圖1為換熱器板片計(jì)算物理模型,在圖1中:冷熱流體單邊逆向流動(dòng),熱流體從上側(cè)流道A端口流進(jìn),B端口流出;氣液兩相冷流體從下側(cè)流道C端口流進(jìn),D端口流出。筆者所用的人字形板式換熱器的板片材料為304不銹鋼,板片參數(shù)如下:
外形尺寸 258mm×100mm
試件流程 (1×5)/(1×6)
板間距 2mm
波紋角度 120°
單片有效面積 0.015m2
試件傳熱面積 0.150m2
當(dāng)量直徑 4mm
波紋深度 2mm
試件片數(shù) 12
板片厚度 0.6mm
角孔直徑 20mm
波紋法向節(jié)距 6mm
單流道截面積 166mm2
圖1 板片計(jì)算物理模型
由于研究流道內(nèi)溫差較小,采用標(biāo)準(zhǔn)RNGk-ε模型對(duì)流道內(nèi)的流動(dòng)、換熱進(jìn)行模擬,作如下假設(shè):
a. 熱流體和兩相冷流體都設(shè)為不可壓縮的牛頓流體;
b. 忽略動(dòng)量方程中體積力的影響;
c. 不考慮重力和浮升力產(chǎn)生的影響;
d. 不考慮流體流動(dòng)過(guò)程中由于粘性耗散產(chǎn)生的熱效應(yīng);
e.流體的進(jìn)口速度和溫度已知,為模擬需要,計(jì)算了進(jìn)口壓力和出口溫度。
用Fluent數(shù)值計(jì)算軟件,將氣相和液相視為連續(xù)相,選用歐拉-歐拉雙流體模型描述氣、液兩相流之間的相互作用。其控制方程如下:
(1)
(2)
(3)
式中i、j、k——矢量在x、y、z3個(gè)方向上的分量;
uα——介質(zhì)速度,m/s;
α——代表相態(tài)(氣相、液相);
ρα——介質(zhì)密度,kg/m3;
τα——粘性剪切力,kg/(m·s2);
φα——體積分?jǐn)?shù),%。
雙流體模型通過(guò)動(dòng)量傳遞系數(shù)λα,β來(lái)確定相間的動(dòng)量傳遞,氣、液兩相間相互作用力ψα為:
ψα=∑λα,β(uβ-uα)λα,β=λβ,α≥0
(4)
RNGk-ε模型:
(5)
(6)
式中k——湍動(dòng)能,是漩渦強(qiáng)度波動(dòng)變化率,m2/s2;
ε——湍流擴(kuò)散率,m2/s2。
進(jìn)口邊界設(shè)為速度入口,出口邊界設(shè)為壓力出口。外部各邊界設(shè)為無(wú)滑移速度邊界條件,中間板片設(shè)為換熱面,其余各面均為絕熱邊界,板片壁面材料的參數(shù)為:比熱容c=644J/(kg·K),密度ρ=7600kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)K=644 W/(m·K)。用Pro/e三維軟件構(gòu)建基本物理模型,然后利用Gambit軟件,用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。換熱器內(nèi)部流道十分復(fù)雜,采用不同的網(wǎng)格步長(zhǎng)對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行劃分,然后對(duì)網(wǎng)格加密。當(dāng)主波紋區(qū)的網(wǎng)格步長(zhǎng)為0.5mm時(shí),平均Nu不發(fā)生太大的波動(dòng),這時(shí)網(wǎng)格密度已經(jīng)滿足模擬精度要求,模型的精度和網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性已在文獻(xiàn)[9]中得到驗(yàn)證,模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。
圖2 劃分網(wǎng)格后的計(jì)算模型
筆者對(duì)板式換熱器中氣液兩相單邊流動(dòng)的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬,氣液兩相流體從板片右下側(cè)流入,左下側(cè)流出。以等流速方法進(jìn)行模擬,選取板間冷熱水流速為0.10、0.13、0.15、0.18m/s,空氣體積含氣率分別為0.10、0.08、0.06、0.04、0.02的工況進(jìn)行模擬研究。筆者主要以不同空氣含氣率下,冷熱水流速為0.10m/s的模擬結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明。
圖3為不同空氣體積含氣率時(shí)冷流道中平均氣體體積分?jǐn)?shù)的大小分布情況,對(duì)比圖3a~e可以看出,氣體一般在板片接觸點(diǎn)處開(kāi)始聚集,隨著氣體體積含氣率的增大,氣體在板間的分布逐漸增多,在進(jìn)出口連線一側(cè)的氣體體積分?jǐn)?shù)比另一側(cè)大,分布更均勻,氣體體積分?jǐn)?shù)的最大值出現(xiàn)在板片接觸點(diǎn)附近,從而接觸點(diǎn)附近的湍動(dòng)程度最大。
圖3 不同空氣體積含氣率時(shí)板間流道中氣體體積分?jǐn)?shù)
圖4為冷流道y=-0.5mm截面上單相和氣液兩相的速度大小分布圖,對(duì)比圖4a~f可以看出,流體在板間流動(dòng)時(shí),在板片邊緣和兩板片接觸點(diǎn)附近流速較慢,這是由于接觸點(diǎn)處氣體的阻力作用造成的,但流道中氣液兩相速度明顯大于單相速度。兩相流體剛進(jìn)入主流區(qū),由于流道截面積變小,又由于氣體的湍動(dòng)作用,流速急劇增大的情況,并且流道中其他位置的流速都有明顯增大。由圖中還可看到,含氣率為0.02時(shí)流道內(nèi)的速度整體較大,含氣率為0.08時(shí)流道內(nèi)的速度稍小,其他含氣率時(shí)兩相流體在流道內(nèi)各處的速度相差不大。
圖4 冷流道y=-0.5mm截面上單相和兩相流體速度分布
圖5為冷流道中單相和氣液兩相的壓力分布情況,由圖5可知,隨著流體在板間的流動(dòng),壓力逐漸降低,并且兩相的壓力梯度明顯大于單相,這是由于板間氣體對(duì)流體的擾動(dòng)造成的阻力損失所致;對(duì)比圖5b~f可以看出,隨著含氣率的增大,兩相流體進(jìn)出口的壓差逐漸減小,其中含氣率為0.02時(shí)進(jìn)出口壓差最大,含氣率為0.10時(shí)進(jìn)出口壓差較小。
圖5 冷流道中單相和兩相冷流道壓力分布
圖6為冷流道中單相和氣液兩相流動(dòng)時(shí)的水溫分布圖,溫度的分布與速度和壓力的分布密切相關(guān),結(jié)合圖4、5,速度較高、壓力梯度較大的位置,溫度梯度也相對(duì)較大。水的溫度沿著流動(dòng)方向逐漸升高,這是由于水進(jìn)入換熱器后,不斷與熱水通過(guò)板片進(jìn)行換熱,左上端是高溫區(qū),對(duì)流換熱量較大,所以沿寬度方向的溫度梯度較大,同時(shí)對(duì)比各圖可以看到,隨著含氣率的增大,右下側(cè)換熱死區(qū)位置的氣體增多,流體的流速比主流區(qū)的流速大,流體的湍動(dòng)增強(qiáng),低溫溫度區(qū)域明顯減小,說(shuō)明在一定含氣率范圍內(nèi),隨著氣體含氣率的增大,可以使換熱死區(qū)的換熱得到明顯改善。
圖6 冷流道中單相和兩相流動(dòng)時(shí)水的溫度分布
圖7、8為氣泡直徑1mm,空氣體積含氣率不同時(shí),冷流道努塞爾數(shù)Nu和壓降Δp隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系。由圖7可以看出,冷流道的努塞爾數(shù)Nu隨兩相流體雷諾數(shù)Re的增大而增大,但增大的趨勢(shì)逐漸減小,并且隨著空氣體積含氣率的增大,冷流道努塞爾數(shù)也隨之增大;由圖8可以看出,冷流道壓降隨兩相流體雷諾數(shù)Re的增大而增大,并且增大的趨勢(shì)越來(lái)越明顯,并且隨著空氣體積含氣率的增大,壓降隨之減小。因此從兩圖的結(jié)果可以得到,隨著空氣體積含氣率的增大,改善了冷熱流體的換熱狀況,降低了壓降損失,即增強(qiáng)了換熱器的換熱效果。
圖7 不同空氣體積含氣率時(shí)冷流道努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系
圖8 不同空氣體積含氣率時(shí)冷流道壓降和雷諾數(shù)的關(guān)系
筆者對(duì)人字形板式換熱器中氣液兩相流的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及氣體的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過(guò)分析可知:不同空氣體積含氣率的氣液兩相流在板式換熱器中流動(dòng)時(shí),冷流道的壓降和努賽爾數(shù)均隨著雷諾數(shù)的增大而增大,并且隨著空氣體積含氣率的增大,換熱效果增強(qiáng);在進(jìn)出口連線一側(cè)的氣體體積分?jǐn)?shù)比另一側(cè)大,并且隨著含氣率增大,流道內(nèi)的氣體分布趨于均勻,換熱死區(qū)位置的氣體增多,增強(qiáng)了該處流體的擾動(dòng),使換熱死區(qū)的換熱特性得到了明顯改善。
[1] 王志春,張文景,李文濤.基于ANSYS的一種氣液兩相流流量測(cè)量傳感器的仿真研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(1):48~51.
[2] 李英,陳光文,袁權(quán).微通道內(nèi)液-液兩相流研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2013,32(8):1743~1748.
[3] 付濤濤.微通道內(nèi)氣液兩相流及氣泡行為研究[D].天津:天津大學(xué),2009.
[4] 趙楠.垂直入口微通道內(nèi)氣液兩相流模擬研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010.
[5] Masuo Kaji,Toru Sawai,Yosuke Kagi,et al.Heat Transfer and Fluid Dynamics of Air-Water Two-phase Flow in Micro-channels[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2010,34(4):446~453.
[6] Shiomi Y, Nakamishi S, Uehara T.Characteristics of Two-phase Flow in a Channel Formed by Chevron Type Plates[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2004,28(2/3):231~235.
[7] Nilpueng K,Wongwises S.Two-phase Gas-Liquid Flow Characteristics Inside a Plate Heat Exchanger[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2010,34(8):1217~1229.
[8] Vlasogiannis P, Karagiannis G, Argyropoulos P,et al.Air-Water two-Phase Flow and Heat Transfer in Plate Heat Exchanger[J].International Journal of Multiphase Flow,2002,28(5):757~772.
[9] 徐志明,王月明,張仲彬.板式換熱器性能的數(shù)值模擬[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2011,31(3):198~202.