孫 斌 張冠男

(東北電力大學能源與動力工程學院)

符號說明

h——換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

K——導熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Δp——壓降，kPa；

T——溫度，K；

v——進口速度，m/s；

V——流量，m3/h；

φ——流體體積濃度，%；

μ——動力粘度，Pa·s；

ρ——流體密度，kg/m3；

下標：

d——對角流動；

f——基液；

m——納米流體混合液；

n——納米粒子；

u——單邊流動；

w——純水。

板式換熱器是一種新型、高效、緊湊的熱交換器，它具有傳熱系數(shù)高、對數(shù)平均溫差大、占地面積小、質(zhì)量輕、價格低廉、易清洗及易改變換熱面積等優(yōu)點。隨著板式換熱器的快速發(fā)展，其換熱性能越來越高，在壓力和溫度不太高的換熱場合中已逐步替代管殼式換熱器，并廣泛應(yīng)用于石油、化工及制冷等領(lǐng)域中。

目前，對板式換熱器性能的研究主要體現(xiàn)在提高傳熱效果和降低壓降兩個方面。Charre O等利用Fluent軟件對板式換熱器內(nèi)部的溫度場、速度場和壓力場進行數(shù)值模擬[1～3]。Fernandes C S 等對板式換熱器內(nèi)部通道進行分析，發(fā)現(xiàn)改變流道的幾何形狀能提高換熱器的傳熱性能[4]。梁欣等利用Fluent軟件對不同尺寸的雙波紋板式換熱器的流場進行了模擬，經(jīng)過分析對比得到換熱效果最佳時雙波紋板的形狀[5]。Grijspeerdt K等對人字形板式換熱器進行了二維和三維數(shù)值計算，最終得到優(yōu)化的波紋模型[6]。張仲彬等應(yīng)用數(shù)值計算軟件對BR0.015F型人字形板式換熱器進行數(shù)值模擬，研究了波紋傾角、高度和間距對其傳熱和阻力的影響，并對其單邊流動和對角流動時的流動特性和換熱特性進行了分析[7,8]。張毅等運用數(shù)值模擬方法和三場協(xié)同原理，對板式換熱器單邊流動和對角流動的流動特性和換熱特性進行了分析[9]。

隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展和能源問題的日趨突出，低傳熱性能的換熱工質(zhì)已成為新一代高效傳熱冷卻技術(shù)研究的主要障礙，而提高液體傳熱性能的一種有效方式是在液體中添加金屬、非金屬或聚合物固體粒子[10,11]。1995年Choi在國際上首次提出納米流體的概念。目前許多學者已將納米流體應(yīng)用到工程領(lǐng)域。Maré T等將氧化物-水納米流體和碳-水納米流體應(yīng)用在板式換熱器中，并通過實驗比較了不同納米流體在換熱器中的換熱性能[12]。Tiwari A K等對不同濃度的CeO2納米流體作為冷卻劑的板式換熱器進行了換熱和壓降性能研究，并對納米流體的最佳體積濃度進行了測試[13,14]。Masoud H F等使用0.5%的ZnO-水納米流體作為熱流體對板式換熱器進行了實驗研究[15]。姚君磊研究了適用于固液兩相的板式換熱器的換熱性能，得到了液固兩相流場的流動特性與換熱特性[16]。Tiwari A K等運用數(shù)值模擬方法將納米流體用于板式換熱器，發(fā)現(xiàn)波紋板內(nèi)流體的湍流和旋渦可以提高其換熱效率[17]。

筆者將納米流體應(yīng)用于板式換熱器，通過數(shù)值模擬方法研究了納米流體傳熱的溫度、換熱系數(shù)和流場的空間分布，并比較了納米流體單邊流動和對角流動時的流場特性和換熱特性。

1 板式換熱器模型

1.1物理模型

筆者選用BRQ035-20型人字形板式換熱器，其特征參數(shù)如下：

板片材料 316L不銹鋼

比熱容 502J/(kg·K)

密度 7 930kg/m3

外形尺寸 258mm×100mm

試件片數(shù) 20

單片換熱面積 0.015m2

有效換熱面積 0.015m2×20

板片厚度 0.4mm

板間距 2mm

當量直徑 4mm

角孔直徑 20mm

波紋角度 120°

波紋深度 2mm

圖1為冷熱流體單邊逆向和對角逆向流動模型，其中，前側(cè)流道為熱流體，后側(cè)流道為冷流體。

a. 單邊逆向

b. 對角逆向

1.2網(wǎng)格劃分

筆者通過Pro/E3.0軟件建立板式換熱器冷熱雙流道模型，并利用Gambit軟件對其進行網(wǎng)格劃分。因波紋板式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故不同流動區(qū)域選擇不同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和步長。首先將模型按照進出口、分流區(qū)和波紋換熱區(qū)劃分成10個部分，然后各自填充網(wǎng)格，并梯次加密網(wǎng)格(圖2)。

圖2 板式換熱器雙流道網(wǎng)格劃分

計算之前需對模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。當波紋換熱區(qū)域網(wǎng)格步長達到0.65 mm、網(wǎng)格數(shù)量增加到167萬后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對模擬計算結(jié)果影響較小，因此在保證模擬準確性的基礎(chǔ)上，筆者選用167萬的網(wǎng)格數(shù)量進行計算。

1.3納米流體熱物性與邊界條件確定

納米流體密度ρm的計算式為：

ρm=(1-φ)ρf+φρn

筆者采用的納米材料為Cu納米顆粒，顆粒直徑為50nm。納米流體的粘度采用Brinkman提出的公式計算[18]：

納米流體的導熱系數(shù)采用Maxwell-Garnetts模型計算[19]：

進口采用速度入口，具體數(shù)值由流量計算得到，進口溫度采用實驗測得的數(shù)據(jù)；出口采用壓力出口，具體數(shù)值由實驗測量得到。換熱面為冷、熱流道相接觸的面，其余各面設(shè)為絕熱邊界。計算中選用歐拉模型，采用Phase Coupled Simple算法進行穩(wěn)態(tài)計算。能量方程的收斂殘差為10-6，其余變量的收斂殘差均為10-3。

1.4模型驗證

為了驗證計算模型和計算方法的準確性，筆者選用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)作為分散劑，采用兩步法配制納米流體，然后對納米流體在板式換熱器中的換熱性能進行實驗研究。實驗中板式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸與數(shù)值模擬的相同，實驗系統(tǒng)圖如圖3所示。實驗結(jié)果和模擬結(jié)果對比如圖4所示。從圖4可以看出：模擬計算得到的板式換熱器換熱系數(shù)與實驗結(jié)果基本一致，其最大誤差為4.78%，小于5.00%。因此該模型計算得到的結(jié)果是準確、可靠的。

圖3 實驗系統(tǒng)結(jié)果示意圖

圖4 實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

2 計算結(jié)果分析

圖5為流道內(nèi)溫度沿x軸的分布，從圖5可以看出：最高溫度出現(xiàn)在熱流體入口處，最低溫度出現(xiàn)在冷流體入口；單邊流動時溫度分布較對角流動時均勻，單邊流動時出口溫度高于對角流動時的出口溫度；4種情況下出口溫度的大小關(guān)系為Tmu>Tmd>Twu>Twd，證明了納米流體可以提高板式換熱器內(nèi)單邊流動和對角流動的換熱性能；板式換熱器內(nèi)納米流體單邊流動的冷側(cè)出口溫度比對角流動的冷側(cè)出口溫度高出約2℃。

圖5 流道內(nèi)溫度沿x軸的分布

固體的導熱性能優(yōu)于純水的導熱性能，在水中添加納米粒子可以提高工質(zhì)的導熱性能。圖6為進口速度v=0.3m/s時純水和納米流體單邊流動和對角流動時換熱系數(shù)的分布，從圖6可以看出：兩種流動下納米流體的換熱系數(shù)均高于純水的換熱系數(shù)；對角流動時進/出口另一側(cè)的傳熱區(qū)內(nèi)流速分配不均，導致?lián)Q熱出現(xiàn)死區(qū)，而單邊流動則避免了這個缺點；單邊流動時納米流體的換熱效率高出純水的5.1%，同時，比納米流體對角流動的換熱系數(shù)高出95W/(m2·K)；因出口處流道發(fā)生了變化，致使流體與壁面發(fā)生碰撞，故此處換熱系數(shù)較高。

圖6 v=0.3m/s時純水和納米流體

圖7為純水和納米流體在冷側(cè)出口的速度矢量圖。由于換熱器內(nèi)部較為復(fù)雜，局部區(qū)域流速過低，純水和納米流體在分流區(qū)和出口處的流場分布基本一致，因此冷側(cè)出口區(qū)域的流動并不是影響納米流體換熱的主要原因。

圖8為納米流體在板式換熱器內(nèi)流動壓降與流速的關(guān)系。由于壓降與流體的密度和粘度有直接關(guān)系，而納米流體的濃度、密度和粘度均大于純水的，因此納米流體的壓降必然大于純水的壓降。在相同流速下，以納米流體為冷流體的板式換熱器壓降大于以水為冷流體的板式換熱器壓降；隨著流速的增大，壓降增大且增大幅度變大。其中，對角流動的壓降大于單邊流動的壓降，且均在壓降允許范圍內(nèi)。因此在提高換熱性能和降低壓降方面，以納米流體為工質(zhì)的單邊流動板式換熱器最佳。

圖8 納米流體在板式換熱器內(nèi)流動壓降與流速的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1在模擬計算中充分考慮了納米流體的物理性能，并通過實驗驗證了筆者所建立的模型是準確、可靠的。

4.2板式換熱器以納米流體為工質(zhì)的單邊流動和對角流動的換熱效果均優(yōu)于純水的，因此納米流體可以提高板式換熱器的換熱性能。

4.3納米流體對角流動時出口溫度和換熱系數(shù)均高于純水單邊流動時的，但由于流道特點，其換熱并不均勻，在較高流速下壓降過大，而納米流體單邊流動的換熱性能和降壓效果最佳。

[1] Charre O, Jurkowski R, Bailly A,et al. General Model for Plate Heat Exchanger Performance Prediction[J]. Enhanc Heat Transfer, 2002, 9(5/6): 181～186.

[2] Ciofalo M. Local Effects of Longitudinal Heat Conduction in Plate Heat Exchangers[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, 50(15/16): 3019～3025.

[3] 桑迪科，黃思. 螺旋折流板換熱器流動與傳熱數(shù)值模擬[J]. 化工機械，2009，36(6)：593～595.

[4] Fernandes C S, Dias R, Nóbregaa J M, et al. Simulation of Stirred Yoghurt Processing in Plate Heat Exchangers [J]. Journal of Food Engineering, 2005, 69(3): 281～290.

[5] 梁欣，張鎖龍，陳文超. 雙波紋板管式換熱器流場的數(shù)值模擬[J]. 化工機械，2011，38(1)：83～86.

[6] Grijspeerdt K, Hazarika B, Vucinic D. Application of Computational Fluid Dynamic to Model the Hydrodynamics of Plate Heat Exchangers for Milk Processing[J]. Journal of Food Engineering, 2003, 57(3): 237～242.

[7] 張仲彬，董鵬飛，王月明，等. 板式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化三維數(shù)值研究分析[J].化工機械，2013，40(2)：206～210.

[8] 徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器單邊流動與對角流動數(shù)值模擬[J].熱能動力工程，2011,26(6)：675～780.

[9] 張毅，董鵬飛， 孫曉燕，等. 基于場協(xié)同理論的板式換熱器性能優(yōu)化數(shù)值研究[J]. 化工機械，2013，40(4)：487～491.

[10] 李強，宣益民. 小通道扁管內(nèi)納米流體流動與傳熱特性[J]. 工程熱物理學報，2004，25(2)：305～307.

[11] 李強，宣益民. 銅-水納米流體流動與對流換熱特性[J]. 中國科學，2002，32(3)：331～337.

[12] Maré T, Halelfadl S, Sow O, et al. Comparison of the Thermal Performances of Two Nanofluids at Low Temperature in a Plate Heat Exchanger[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2011,35(8): 1535～1543.

[13] Tiwari A K, Ghosh P, Sarkar J. Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of CeO2/Water Nanofluid in Plate heat Exchanger [J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 57(1/2): 24～32.

[14] Tiwari A K, Ghosh P, Sarkar J. Performance Comparison of the Plate Heat Exchanger Using Different Nanofluids [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2013, 49: 141～151.

[15] Masoud H F,Reza T M, Somaye N. Numerical and Experimental Investigation of Heat Transfer of ZnO/Water Nanofluid in the Concentric Tube and Plate Heat Exchangers[J].Thermal Science,2011,15(1):183～194.

[16] 姚君磊. 適用于液固兩相流的寬通道板式換熱器的性能研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2012.

[17] Tiwari A K, Ghosh P, Sarkar J,et al. Numerical Investigation on Heat Transfer and Fluid Flow in Plate Heat Exchanger Using Nanofluids [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2014, 85: 93～103.

[18] Brinkman H C. The Viscosity of Concentrated Suspensions and Solutions [J]. Journal of Chemical Physics, 1952, 20(4): 571～581.

[19] Maxwell J C. A Treatise on Electricity and Magnetism [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2010:435～441.