陳宗毅，何 林

(貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

釬焊板式換熱器具備重量輕、體積小、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，它不但被應(yīng)用于供熱、制冷、空調(diào)、化工冷藏、飲用水處理、廢水處理、熱回收等方面，也被廣泛的應(yīng)用于各種機(jī)械液壓系統(tǒng)油液的換熱過(guò)程中［1-3］。提高釬焊板式換熱器的換熱性能，降低液壓系統(tǒng)中油液溫度，減少液壓系統(tǒng)中各部件過(guò)熱而造成的損耗成為目前重要的研究方向。

對(duì)于釬焊板式換熱器的研究目前主要為設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用。Giovanni A.Longo［4］研究了在釬焊板式換熱器中幾種飽和蒸汽的冷凝過(guò)程中，流體的流動(dòng)特性與傳熱系數(shù)及壓降。王雷［5］等做了釬焊換熱器的水—水換熱性能實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了傳熱系數(shù)和壓降的性能曲線。袁凌［6］從制造工藝、產(chǎn)品性能及應(yīng)用三個(gè)方面闡述了全不銹鋼釬焊板式換熱器(AlfaNova)的性能及實(shí)際應(yīng)用。陳亞平［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了釬焊板式換熱器用于暖氣熱水器的傳熱性能，并得到其傳熱性能優(yōu)于管式換熱器。喬曉剛［8］等研究了波紋傾角、波距及波紋深度對(duì)水—水換熱釬焊板式換熱器中流體傳熱及流動(dòng)狀態(tài)的影響。

由于釬焊板式換熱器與傳統(tǒng)可拆式板式換熱器的流道形狀不相同，且運(yùn)用單因素分析單個(gè)參數(shù)的影響不能獲得較優(yōu)選的換熱器尺寸參數(shù)。故本文根據(jù)某釬焊板式換熱器的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，建立物理模型，并設(shè)計(jì)正交仿真試驗(yàn)，綜合考察波紋深度、波紋傾角及波距對(duì)換熱性能的影響。

1 釬焊板式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理模型

圖1為釬焊板式換熱器板片的結(jié)構(gòu)示意圖，并給出了板片的外形尺寸，及對(duì)換熱器換熱性能影響較大的三個(gè)參數(shù):波紋深度h、波紋傾角β及波距P。

圖1 板片結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)某釬焊板式換熱器的板片形狀，建立如圖2所示的由一個(gè)冷流道和一個(gè)熱流道組成的物理模型。并根據(jù)釬焊板式換熱器流體的流動(dòng)形式—單邊流，布置流體的進(jìn)出口在同一側(cè)。且每塊板片的有效換熱面積均為45 624 mm2，其中板片的厚度為0.4 mm。

圖2 釬焊板式換熱器物理模型

2 流場(chǎng)仿真與正交試驗(yàn)方案

2.1 計(jì)算假設(shè)

運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)Fluent軟件，對(duì)釬焊板式換熱器的物理模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流方程，在仿真分析流體的流動(dòng)傳熱之前，作出如下假設(shè):流體的物理屬性不隨溫度和時(shí)間的變化而變化;流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，忽略重力的影響;只考慮中間傳熱板傳熱。

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

由于釬焊板式換熱器板片的外形比較復(fù)雜，板片波紋的形狀尺寸較小，只能采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了獲得較高的計(jì)算精度，網(wǎng)格的質(zhì)量至關(guān)重要。本次仿真細(xì)劃了板片的波紋區(qū)域，采用初始網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，網(wǎng)格高度比為1.2，全局網(wǎng)格尺寸為7 mm。網(wǎng)格數(shù)380萬(wàn)左右。圖3給出了板片局部網(wǎng)格分布。

圖3 板片局部網(wǎng)格

本文的研究對(duì)象為油—水換熱器，表1給出了材料的物性參數(shù)。熱流與冷流的入口條件均采用速度入口條件，根據(jù)釬焊板式換熱器的實(shí)際工況，熱流與冷流入口流量在1.2 m3/h～4.4 m3/h范圍內(nèi)，由流量計(jì)算得熱流入口速度為0.008 m/s，冷流的入口速度為0.01 m/s。冷熱流的出口均采用常規(guī)的壓力出口條件，只考慮流體在流道中受到板片波紋的阻力影響，因此出口壓力設(shè)置為0 Pa。

表1 流體物性參數(shù)

2.3 正交試驗(yàn)方案

根據(jù)釬焊板式換熱器板片的制造工藝，此三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍分別為:h=3 mm～6 mm，波紋傾角 β =30°～80°，波距 P=4 mm～10 mm?？紤]到該釬焊板式換熱器的結(jié)構(gòu)形式及尺寸大小，在設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)因素選取4個(gè)水平。此正交試驗(yàn)的水平因素如表2所示。

表2 板片幾何參數(shù)正交試驗(yàn)水平因素

由于研究對(duì)象有3因素4水平，采用L16(45)的正交表，設(shè)計(jì)波紋深度h、波紋傾角β、波距P的正交仿真試驗(yàn)方案，如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)方案和仿真結(jié)果

3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由Fluent軟件計(jì)算出每組試驗(yàn)的熱流與冷流在板片間的平均速度，計(jì)算的結(jié)果如表3所示，將仿真出的速度值換算為雷諾數(shù)，并通過(guò)傳熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式計(jì)算出此物理模型的傳熱系數(shù)。

流體傳熱的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式［9］:

式中:Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，系數(shù)C=0.15～0.4，各指數(shù)的取值范圍m=0.65～0.85，n=0.3～0.45。根據(jù)本文的研究對(duì)象，取C=0.18，指數(shù)m=0.72，n=0.3。

熱阻的計(jì)算公式:

式中，λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·℃);de為當(dāng)量直徑，單位m。

傳熱系數(shù)方程為:

式中:K為總傳熱系數(shù)，單位 W/(m2·℃);α1、α2分別為熱、冷流體熱阻，單位(m2·℃)/W;σ為傳熱板板厚，單位m;λ1為傳熱板導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·℃)。

以單個(gè)冷熱流道的物理模型的傳熱系數(shù)評(píng)價(jià)換熱器的換熱性能。為了排除隨機(jī)因素，尋找理論最優(yōu)方案，并分析這三個(gè)因素對(duì)于釬焊板式換熱器的換熱性能影響的主次因素，故對(duì)每組試驗(yàn)計(jì)算所得的傳熱系數(shù)做極差分析。

表4 傳熱系數(shù)的極差分析

表4給出了傳熱系數(shù)的極差分析結(jié)果，其中K1、K2、K3、K4分別為 4 水平所得結(jié)果的平均值，R為3個(gè)因素的極差值。對(duì)比分析極差值的大小:RA＞RC＞RB，因此對(duì)流體傳熱系數(shù)影響最大的因素是波紋深度h，其次是波距P。最大傳熱系數(shù)應(yīng)選A1B4C4的參數(shù)組合，即最優(yōu)的理論方案為波紋深度h=3 mm、波紋傾角β=60°、波距P=10 mm。

4 結(jié)論

本文以油—水釬焊板式換熱器為研究對(duì)象，對(duì)三個(gè)主要影響換熱器換熱性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，得到以下結(jié)論:

1)正交試驗(yàn)揭示了波紋深度h、波紋傾角β、波距P對(duì)釬焊板式換熱器換熱性能的影響，其中波紋深度對(duì)換熱性能的影響較大，這三個(gè)參數(shù)影響換熱性能的主次關(guān)系為:波紋深度＞波距＞波紋傾角。

2)由正交試驗(yàn)可知:以傳熱系數(shù)為最大目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)選參數(shù)組合為波紋深度h=3 mm，波紋傾角β=60°，波距 P=10 mm。

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