范菊蘭， 顧楊怡， 葉 莉， 岳 晨， 羅朝嘉， 韓 東

(1.南通中船機(jī)械制造有限公司， 江蘇 南通 226000；2.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210016)

船用板式換熱器混合板片數(shù)值分析研究

范菊蘭1， 顧楊怡1， 葉 莉2， 岳 晨2， 羅朝嘉2， 韓 東2

(1.南通中船機(jī)械制造有限公司， 江蘇 南通 226000；2.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210016)

通過Fluent數(shù)值模擬研究了由船用板式換熱器不同人字形波紋板片組成的三種模型內(nèi)部流場(chǎng)及換熱過程，得到了壓力損失ΔP、平均Nu數(shù)隨流速的變化情況。分析了不同流速下，三種模型的人字形波紋板式換熱器板片的流動(dòng)和換熱特性，并用相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：流速相同時(shí)，H-H模型Nu和ΔP值最大，V-V模型Nu和ΔP值最小,V-H模型Nu和ΔP值大小均介于兩者之間。Nu和ΔP的數(shù)值分別是換熱性能及阻力特性的度量。V-H模型以部分換熱性能的損失獲得了阻力特性的改善。Fluent模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

板式換熱器 混合板片 數(shù)值模擬 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

板式換熱器作為船舶上的主要換熱設(shè)備對(duì)全船的安全運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。它的結(jié)構(gòu)相對(duì)其他換熱器較為簡(jiǎn)單，主要由螺桿、壓板、底座、板片等組成。它廣泛地作為大型艦船主機(jī)缸套水、滑油冷卻器以及中央冷卻器使用，近幾十年來(lái)得到了很大發(fā)展。但是與其他類型的換熱器相比,板式換熱器在運(yùn)行過程中的耗能以及所需運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高。因此,有必要針對(duì)板式換熱器進(jìn)行優(yōu)化研究,以期提高換熱性能、降低流動(dòng)阻力以及節(jié)能降耗。作為板式換熱器核心組件,板片的設(shè)計(jì)決定了換熱器的綜合性能。人字形波紋板式換熱器換熱性能好，關(guān)于人字形波紋傾角對(duì)換熱器換熱和阻力特性影響的研究一直沒有間斷[1,2]。

實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬是研究換熱器的主要方法，其中數(shù)值模擬由于經(jīng)濟(jì)和高效,在板片先期設(shè)計(jì)以及最終優(yōu)化定型的過程中可以起到重要作用[3,4]。板式換熱器的綜合性能可由努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)Re的變化來(lái)評(píng)判。

趙鎮(zhèn)南[5]通過實(shí)驗(yàn)研究了人字波紋通道中的基本流動(dòng)模式以及波紋傾斜角對(duì)板式換熱器性能的影響，發(fā)現(xiàn)相同工況下大角度板片的換熱性能和壓力損失都高于小角度板片。要實(shí)現(xiàn)換熱、流量和壓力降三者之間的良好匹配[6]不能僅靠單一傾角的板片，可行的方法是用兩種不同波紋角度的板片混合組裝成一臺(tái)換熱器，稱為熱混合式設(shè)計(jì)[7]。

本文通過Fluent模擬計(jì)算，分析比較了三種不同人字形波紋板片模型的流動(dòng)和換熱特性，并用相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，為船用板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 物理模型

在Gambit中建立人字形波紋板片模型。圖1和圖2分別是波紋傾角β=13.3°的V型板片原圖和波紋傾角β=74.5°的H型板片原圖。

圖1 V型板片

圖2 H型板片

分別對(duì)兩種不同波紋傾角的板片進(jìn)行組合，組成三種不同的通道模型。模型一和模型二為同角度板片之間的組合，分別為V-V型組合和H-H型組合，模型三是由H型和V型板片組合成的V-H模型。為節(jié)約計(jì)算資源以及提高計(jì)算效率，忽略板片其他部分，截取板片主流區(qū)域作為模擬研究對(duì)象。模型尺寸為60mm×180mm。具體模型及流體流動(dòng)方向如圖3～圖6所示，邊界條件設(shè)置如圖7所示。

圖3 V-V型板片

圖4 H-H型板片

圖5 V-H型板片上壁面

圖6 V-H型板片下壁面

圖7 模型邊界條件

模型結(jié)構(gòu)分為固體域和流體域，流體為水，其物性參數(shù)如表1所示。其中，μ為流體粘性系數(shù)；ρ為流體密度；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)；Cp為流體比熱容。

表1 水的熱物性參數(shù)

在固體域：板片材料為不銹鋼，其物性參數(shù)如表2所示。

表2 不銹鋼的熱物性參數(shù)

2.2 邊界條件

入口采用速度入口邊界條件，進(jìn)口流體溫度設(shè)定為307 K。模型出口邊界條件類型均為pressure-outlet，其他參數(shù)保持設(shè)定值。上下壁面都采用恒定壁溫邊界條件，無(wú)滑移邊界條件，上壁面：Tw=300K；下壁面：Tw=300K；壁面厚度為0.5mm。固體壁面選用模型的默認(rèn)值。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

采用Fluent進(jìn)行求解計(jì)算,壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法,控制方程中的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散均采用二階迎風(fēng)格式, 湍流模型為RNGk-e模型。通過Gambit對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。

2.4Re、Nu和Pr的定義

本文中Re、Nu和Pr的定義如下:

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1Fluent模擬結(jié)果分析

對(duì)三種不同的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。圖8為三個(gè)模型的平均努賽爾數(shù)Nu隨流速的變化曲線。從圖中可以看出，三個(gè)模型的Nu都隨著流體流速的增大而類線性增大。流速為0.1m/s時(shí)模型二(H-H)的Nu值為54.2，分別為模型一(V-V)和模型三(V-H)的1.8倍和1.3倍；流速達(dá)到0.6m/s時(shí)，模型二的Nu值增大到了322.6，分別為模型一的1.9倍和模型三的1.4倍。圖9為三個(gè)模型的壓力損失ΔP隨流速的變化曲線。三個(gè)模型的ΔP值都隨流速地增大而增大，在整個(gè)數(shù)值計(jì)算的流速范圍內(nèi)都有：ΔPH-H>ΔPV-H>ΔPV-V,流速越大三者之間差值越大。相同流速下，板片波紋傾角越大，流體在流道內(nèi)的擾動(dòng)越強(qiáng)，冷熱流體的換熱效果就越好，數(shù)值上表現(xiàn)為衡量換熱性能的參數(shù)Nu值較大。同時(shí)由于擾動(dòng)強(qiáng)度大，壓力損失ΔP也更大。相反，波紋傾角較小的板片，由于流道內(nèi)擾動(dòng)相對(duì)較弱，換熱效果較差但同時(shí)壓力損失也較小。流速越大，流體擾動(dòng)越強(qiáng)，這種反差就越明顯。V-H混合模型的Nu值與壓力損失大小均介于模型V-V與模型H-H之間。它以部分換熱性能的損失獲得了阻力特性的改善，平衡了換熱性能和壓力損失。

圖8 三個(gè)模型的平均努賽爾數(shù)Nu隨流速的變化曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)試單向流體在三種不同組合方式的板片通道中的流動(dòng)和換熱特性，建立以海水和淡水作為介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。海水作為冷介質(zhì)，淡水為熱介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象：由14塊H型板片組成的H型換熱器；由14片V型板片組成的V型換熱器；H型板片和V型板片各7片組合而成的混合型板式換熱器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含冷水系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)以及測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)流程圖如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

分別對(duì)三種模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并與計(jì)算結(jié)果比較，得到圖11和圖12，分析如下。

圖11是三種模型的傳熱系數(shù)隨流速的變化曲線。圖中實(shí)線為數(shù)值計(jì)算結(jié)果，虛線表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖11可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)出的傳熱系數(shù)K比數(shù)值計(jì)算結(jié)果略低一些，誤差值低于15%。兩者變化趨勢(shì)一致：隨流速的增大，三種模型的傳熱系數(shù)K都增大；在同一流速下，H-H模型K最大，V-V模型K最小，V-H混合模型的K大小介于兩者之間。圖12為模型壓力損失ΔP隨流速變化曲線。隨著流速增大，板式換熱器的壓力損失增大；在同一流速下，H-H模型的壓力損失最大，V-V模型的壓力損失最小，V-H混合模型的壓力損失在兩者之間。這一趨勢(shì)與Fluent數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果都表明混合模型可以平衡換熱器的換熱性能與壓力損失，驗(yàn)證了用Fluent數(shù)值計(jì)算來(lái)引導(dǎo)換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。

圖11 三個(gè)模型的總傳熱系數(shù)隨流速的變化曲線

圖12 三個(gè)模型的壓力損失ΔP隨流速的變化曲線

4 結(jié)論

本文通過對(duì)三種不同板片組合模型進(jìn)行數(shù)值模擬，主要得到如下結(jié)論。

(1) 三個(gè)模型的換熱性能參數(shù)Nu和壓力損失ΔP都隨著流體流速的增大而增大。相同流速下總有：NuH-H>NuV-H>NuV-V，ΔPH-H>ΔPV-H>ΔPV-V。Nu和ΔP值的大小分別是換熱性能和阻力特性的度量。用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Fluent模擬結(jié)果，得到一致的結(jié)論。

(2) 在本文數(shù)值模擬的流體流速范圍內(nèi)，混合模型V-H的Nu值和壓力損失ΔP分別比模型二H-H(大傾角板片組合)平均低24.3%和46.0%，比模型一V-V(小傾角板片組合)平均高出40.5%和71.7%?？梢娀旌夏Ｐ涂梢云胶鈸Q熱性能和壓力損失，綜合性能介于模型H-H和模型V-V之間。

(3) 本文僅通過研究波紋傾角為13.3°和74.5°的兩種板片之間的組合得到了相關(guān)結(jié)論。因此，對(duì)于是否存在其他波紋傾角板片之間的組合使得混合模型的綜合性能同時(shí)優(yōu)于兩個(gè)同種板片組合的綜合性能值得作進(jìn)一步研究。

[1] 李曉亮.人字形板式換熱器強(qiáng)化傳熱研究及場(chǎng)協(xié)同分析[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2009.

[2] 蔡毅,賈志剛,周文學(xué)等.人字形波紋板式換熱器性能數(shù)值模擬的研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2009,26(1):105-108.

[3] Kanaris A G, Mouza A A, Paras S V. Optimal Design of a Plate Heat Exchanger With Undulated Surfaces[J]. Int J Therm Sci, 2009,48(6):1184-1195.

[4] Doo J H, Yoon H S, Ha M Y. Study on Improvement of Compactness of a Plate Heat Exchanger Using a Newly Designed Primary Surface[J]. Int J Heat Mass Transfer，2010, 53(25/26): 5733-5746.

[5] 趙鎮(zhèn)南.板式換熱器人字波紋傾角對(duì)阻力及傳熱性能的影響[J].石油化工設(shè)備,2001,30(5):1-3.

[6] Bond M P. Plate heat exchangers for effective heat transfer [J].The Chemical Engineer, 1981, 88: 1621.

[7] 楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

NumericalAnalysisResearchonHybridPlateofMarinePlateHeatExchanger

FANJu-lan1,GUYang-yi1,YELi2,YUEChen2,LUOChao-jia2,HANDong2

(1.NantongCSEMCMachineryManufacturingCo.,Ltd.,NantongJiangsu226000,China;2.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAerospacePowerSystem,NanjingJiangsu210016,China)

In this paper, we put the plate which is widely used in ship heat exchanger as the research object. This paper performs numerical simulations of the fluid flow and heat transfer characteristic in three different corrugated plates, and obtains the varying pattern of the average number of Nu, pressure loss ΔPwhentheflowvelocitychanges.Thepaperanalysistheheattransferandpressuredropcharacteristicsinthreedifferentcompositecorrugatedplatepatterns,andverifiesthesimulatedresultsunderdifferentvelocity.TheresultsshowthatthevalueofNuandΔPofH-Hmodelisthelargestinthreekindsofmodelunderthesamevelocity,onthecontrary,V-Vmodel’sNuandΔPvalueareminimum,theNuandΔPvalueofV-HmodelarebetweenV-VmodelandH-Hmodel.NuandΔPvaluerespectivelyshowstheheattransferperformanceandthesizeofpressureloss.V-Hmodelreducepressurelossthroughasmallpartdecreasingofheattransferperformance.ExperimentresultsareconsistentwithFluentsoftwaresimulationresults.

Plate heat exchanger Hybrid plate Numerical simulation Experimental verification

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金(BY2013003-07)；南通市重大科技創(chuàng)新專項(xiàng)(XA2012003)。

范菊蘭(1971-)，女，工程師。

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