張仲彬 鄭孔橋 孫彬彬 徐志明

(1. 東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院；2. 大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院)

板式換熱器作為一種通用的熱能動力機(jī)械設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、制冷與暖通、余熱回收、動力、石油化工及航空航天等絕大部分工業(yè)領(lǐng)域，可被用作冷凝器、蒸發(fā)器、回?zé)崞骷爸虚g冷卻器等，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前研究的板式換熱器的性能主要體現(xiàn)在傳熱特性和壓降兩個方面，目的是提高傳熱效果且降低壓降。對其傳熱特性和流動特性的研究主要有實驗和數(shù)值模擬兩種方法。其中，數(shù)值模擬因具有高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點，在板片的設(shè)計、選型及優(yōu)化等過程得到了廣泛應(yīng)用[1～7]。

崔立祺等分別截取人字形波紋板式換熱器50mm×100mm、50mm×110mm和128mm×128mm主流區(qū)域進(jìn)行模擬計算分析，得到了波紋夾角β、高度h和間距l(xiāng)對換熱器性能的影響，并利用計算結(jié)果擬合各幾何參數(shù)與努塞爾數(shù)、壓力降之間的關(guān)系曲線[8]。陳文超等通過對人字形板式換熱器進(jìn)行溫度場的數(shù)值模擬，得到了冷、熱流體各自通道的溫度分布，發(fā)現(xiàn)溫度場在平行于進(jìn)口速度方向上變化明顯，在垂直進(jìn)口速度方向上溫度梯度的變化比平行于進(jìn)口速度方向上的低，層次不明顯[9]。Galeazzo F C C等通過對板式換熱器的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在通道內(nèi)存在流體流動不均和流量分布不均的現(xiàn)象[10]，F(xiàn)ernandes C S等對高粘度流體在板式換熱器內(nèi)的流動進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)在層流狀態(tài)下，流體的扭曲系數(shù)和摩擦相關(guān)性系數(shù)隨著波紋傾斜角的減少和通道寬高比的增加而增加[11]。Han X H等根據(jù)板片的完整結(jié)構(gòu)建立了雙流道的三維計算模型，發(fā)現(xiàn)在板片進(jìn)、出口處都存在流動死區(qū)[12]。Merdian M A和Pouter R利用CFD軟件研究板式換熱器，通過截取最小的一個單元作為計算域，認(rèn)為波紋形狀對換熱和壓降有十分重要的影響[13]。

分配區(qū)的結(jié)構(gòu)對流體在換熱器板片間的流場分布、傳熱和阻力有著重要影響。筆者采用數(shù)值模擬的方法，根據(jù)BR0.015F型人字形板式換熱器的實際結(jié)構(gòu)建立了包含進(jìn)出口分配區(qū)和波紋換熱區(qū)在內(nèi)的完整的冷熱雙流道幾何模型，并在該模型的基礎(chǔ)上，改變分配區(qū)的結(jié)構(gòu)，建立了新的模型，通過對兩種模型在不同工況條件下的數(shù)值模擬，比較努塞爾數(shù)Nu和摩擦因子f隨雷諾數(shù)Re的變化，并引入強(qiáng)化比PEC來綜合評價改進(jìn)效果。

1 換熱器的數(shù)值計算模型

1.1物理模型

研究對象為BR0.015F型人字形板式換熱器，其基本參數(shù)為：換熱面積0.015m2，波高2mm，波紋法向節(jié)距6mm，波紋角度120°，材料為304不銹鋼[14]。筆者按照該板片圖紙的實際尺寸建立三維計算模型A，計算區(qū)域如圖1a所示；在模型A的基礎(chǔ)上，修改分配區(qū)的結(jié)構(gòu)，建立了模型B，計算域如圖1b所示。

圖1 幾何模型

1.2相關(guān)假設(shè)

所研究的傳熱問題溫差較小，故假設(shè)為：定常流動；流體為不可壓縮的牛頓流體；重力和浮升力的影響忽略不計；忽略流體流動時的粘性耗散作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

1.3數(shù)學(xué)模型

相關(guān)的控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中p——壓力分量，Pa；

T——溫度，K；

Ui——i方向上的速度分量，m/s；

u、v、w——x、y、z方向上的速度分量，m/s；

α——流體熱擴(kuò)散率，m/s；

μ——動力粘度，Pa·s；

ρ——流體密度，kg/m3。

RNDk-ε模型：

(4)

(5)

1.4邊界條件

1.4.1壁面條件

外部邊界為無滑移速度邊界條件，冷熱流道的接觸面設(shè)為傳熱面，其余各面設(shè)為絕熱邊界條件。

1.4.2網(wǎng)格劃分

通過Pro/E軟件建立模型，并采用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于傳熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，先將模型按進(jìn)出口、分流區(qū)和波紋傳熱區(qū)分割成10部分，并各自填充網(wǎng)格，然后按梯次加密網(wǎng)格。當(dāng)平均努塞爾數(shù)開始穩(wěn)定不再發(fā)生變化時，此時網(wǎng)格密度已經(jīng)足夠滿足模擬精度的要求。

1.4.3數(shù)值計算

板間流動為單相流動，流動為湍流，采用RNGk-ε湍流模型，保持模型中的各參數(shù)值不變。計算采用分離變量隱式法求解，速度和壓力耦合采用SIMPLE算法，二階精度的迎風(fēng)格式離散。

1.4.4進(jìn)出口邊界條件

進(jìn)口采用速度入口條件，進(jìn)口溫度采用試驗測得的數(shù)據(jù)，速度由流量計算得到；出口采用壓力出口條件，其值由試驗測量得到，具體參數(shù)和模擬準(zhǔn)確性見文獻(xiàn)[15]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

筆者對人字形板式換熱器模型A、B進(jìn)行了數(shù)值模擬，流動形式為對角流，冷流體從左上角流入，從右下角流出。為了滿足工業(yè)中的應(yīng)用并為開發(fā)設(shè)計提供參考依據(jù)，對進(jìn)口流速u在0.2～0.6m/s間的5種工況進(jìn)行了模擬計算，并以進(jìn)口流速0.5m/s為例，分析兩模型的速度場、溫度場和壓力場的差異。

2.1板式換熱器流道內(nèi)的速度場

圖2為進(jìn)口流速u=0.5m/s時模型A和模型B在y=0.2mm截面上的速度分布。從圖中可以看出，模型A在進(jìn)口分配區(qū)的上部存在流動“死區(qū)”，導(dǎo)致波紋區(qū)在入口段沿z方向存在明顯的流體流動不均現(xiàn)象，這是由于分配區(qū)結(jié)構(gòu)不合理造成的；模型B在波紋區(qū)進(jìn)口部分分流均勻，流體沿波紋區(qū)分布均勻。

圖2 y=0.2mm截面的速度分布

2.2板式換熱器流道內(nèi)的溫度場

圖3為進(jìn)口流速u=0.5m/s時模型A和模型B在傳熱面冷側(cè)上的溫度分布。從圖中可以看出，隨著流體的流動，板片的溫度逐漸升高，模型A在波紋區(qū)的進(jìn)口段沿z方向存在換熱不均的現(xiàn)象，且在波紋區(qū)的右上角明顯換熱較差，模型B在整個板片上換熱較為均勻，有利于增強(qiáng)換熱。

圖3 傳熱面冷側(cè)的溫度分布

2.3板式換熱器流道內(nèi)的壓力場

圖4為進(jìn)口流速u=0.5m/s時模型A和模型B在傳熱面冷側(cè)的壓力分布，從圖中可以看出，沿流動方向，流道內(nèi)的壓降逐漸變小，模型A在波紋區(qū)的進(jìn)口段存在壓降不均的現(xiàn)象，這是由于流體流動不均引起的，模型B在進(jìn)口段壓降則較為均勻，這與速度場的分布相吻合。

圖4 傳熱面冷側(cè)的壓力分布

2.4模擬數(shù)據(jù)的處理

為比較兩模型傳熱特性和流動特性的變化，圖5、6分別給出了模型A與模型B的努塞爾數(shù)和摩擦因子隨進(jìn)口雷諾數(shù)的變化關(guān)系，可以看出，兩模型的努塞爾數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而增大，在相同雷諾數(shù)下，模型B的努塞爾數(shù)與模型A相差很小，換熱性能基本相同，而摩擦因子則明顯小于模型A，即相同雷諾數(shù)下，模型B的內(nèi)部流動阻力更小，壓降更低。

圖5 努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化

圖6 摩擦因子隨雷諾數(shù)的變化

為準(zhǔn)確評估改造對模型A的影響，引入文獻(xiàn)[14]的強(qiáng)化比(PEC)評價準(zhǔn)則，當(dāng)PEC大于1時不僅能夠強(qiáng)化換熱而且能夠節(jié)約能源。該評價準(zhǔn)則定義式為[16]：

(6)

以模型A的努塞爾數(shù)和摩擦因子為基準(zhǔn)得出PEC與Re之間的變化規(guī)律。從圖7可以看出，模型B的強(qiáng)化比是模型A的1.1倍左右，且不隨雷諾數(shù)的增加而變化。

圖7 模型A、B的強(qiáng)化比隨雷諾數(shù)的變化

3 結(jié)束語

筆者根據(jù)BR0.015F型人字形板式換熱器的實際結(jié)構(gòu)建立了包含進(jìn)出口分配區(qū)和波紋換熱區(qū)在內(nèi)的完整的冷熱雙流道幾何模型A，并在該模型的基礎(chǔ)上，改變分配區(qū)的結(jié)構(gòu)，建立了新的模型B，經(jīng)過改進(jìn)后得到的模型B與原模型A相比，流道內(nèi)流體分布更加均勻，改善了流動特性，整體換熱效果更加均勻，同時減小了流體流動阻力，摩擦因子較之前減少了30%，降低了壓降，整體性能較原來提高了10%左右。

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