周乃香，冷學禮，王樹軍

（1.山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，山東濟南　250013；2.山東大學能源與動力工程學院，山東濟南250061；3.新泰市新城熱力有限公司，山東泰安　271000）

雙V型波紋板式換熱器的數值研究

周乃香1，2，冷學禮2，王樹軍3

（1.山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，山東濟南250013；2.山東大學能源與動力工程學院，山東濟南250061；3.新泰市新城熱力有限公司，山東泰安271000）

利用三維模擬研究了雙V型波紋板式換熱器內部的換熱阻力特性、換熱面的溫度分布，以及波紋通道內流動形態(tài)。結果表明，傳熱系數K、進出口壓降隨著Re的增大而增大，數值模擬結果可以較好吻合試驗趨勢。相比RNG k-e，SST k-w湍流模型所得的結果與試驗結果吻合更好。波紋板片均流區(qū)的壓降占整個通道壓降損失的10%～20%，合理設計此部分區(qū)域可以提高整個板式換熱器運行的經濟性。在上下壁面接觸點附近存在復雜的二次流，此部分區(qū)域的漩渦會減弱流動及換熱邊界層，強化換熱。由于漩渦流向與槽道走向并不一致，漩渦的存在同時會加大壓降損失。同時，雙V型波紋板片較好地削弱了流體分配不均勻的現象。

板式換熱器；數值模擬；換熱；壓降

0　引言

板式換熱器作為一種高效、緊湊的換熱器，具有傳熱效果好、靈活適應生產中熱負荷變化、清洗拆卸方便、造價低等優(yōu)點，在食品加工、石油化工、余熱回收等領域廣泛使用［1］。近些年，供熱管網多采用“三環(huán)制”方案，其主要實現方法為:通過換熱器將一、二級管網分隔開來，將各供熱站加熱器二次側與用熱用戶的循環(huán)構成第三環(huán)?！叭h(huán)制”方案可以大幅增強熱網管理的靈活性及運行的可靠性。當前，板式換熱器已成為集中供熱間接式換熱機組的核心部件。

對于板式換熱器的研究，主要采用試驗測定與數值模擬的方法。Focke等［2］利用有限擴散電流技術，分析了波紋角度對換熱和阻力特性的影響，得到了人字形換熱器內部的兩種基本流型:十字交叉流與曲折流。Takahiro等［3］的試驗結果表明，流道內的漩渦流動提高了板式換熱器的換熱系數，但同時也加大了壓降損失。周明連［4］通過流型觀測指出板式換熱器內的偏流現象降低了換熱器的傳熱性能。趙鎮(zhèn)南［5］的試驗結果表明，人字形波紋傾角是影響板式換熱器性能的重要幾何參數，其通過改變流動形態(tài)來影響換熱器的傳熱阻力性能。Aydin等［6］通過試驗對三種不同類型的板式換熱器進行了研究，得出由于高換熱系數伴隨著高壓降，在選擇板式換熱器時應綜合考慮各種因素的結論。

試驗測定由于測點限制無法獲得板式換熱器內部流場及溫度場，為更進一步地研究板式換熱器內部流動形態(tài)，很多學者采用了數值模擬方法。Wang等［7］利用數值模擬的方法研究了周期性波紋通道，指出二次漩渦的存在增強了流體的換熱系數；Metwally等［8］對通過正弦波紋通道的層流區(qū)流體進行了數值研究，結果表明波紋通道產生了橫向漩渦，減薄了流體邊界層，增強換熱效果；張井志等［9］對板式換熱器單流道模型進行了研究，指出合理選擇觸點分布可進一步強化其換熱效果；趙元東等［10］分析了熱混合板式換熱器內換熱阻力特性，結果表明換熱系數隨著入口流速的增大而增大，場協同性降低；喬曉剛等［11］對影響人字形波紋板式換熱器的三個重要因素進行了數值研究，指出最優(yōu)波紋傾角在60°左右；夏翔鳴等［12］對人字波紋換熱器進行數值分析，指出流場中的縱向渦減薄了邊界層，提高了流體的協同性。

現階段，對于板式換熱器的數值研究，主要是針對換熱區(qū)，幾何模型多為單通道，對于全場的數值模擬以及冷熱流體耦合的分析還不足。文中主要對一種雙V型波紋板式換熱器建立三維全場模型，分析其壓降、換熱及流動特性，旨在提供一個更為詳盡的板式換熱器全場流動分析，增強對板式換熱器內部流動的認識。

1　物理模型及數學描述

利用ProE三維建模軟件建立板式換熱器全板模型，如圖1所示。

圖1　計算模型

其中圖1（a）為單一板片模型，圖1（b）為人字形板式換熱器雙流道模型。雙流道模型主要采用3塊板片疊加構成，其中上下板片設定為絕熱邊界條件，中間板片設定為耦合換熱邊界條件，以考慮冷熱流體間的對流換熱情況。本文模擬過程中，并未考慮壁面厚度，對于壁面采用薄壁模型。采用四面體網格，在ICEM中完成計算域網格劃分，并對換熱區(qū)進行局部加密，網格數量大約為400萬。冷熱流體逆向流動，入口采用速度入口邊界條件，出口均采用壓力出口邊界條件。

計算域的控制方程如下。

質量連續(xù)方程:

動量守恒方程:

能量方程:

由于波紋通道內存在邊界層的脫離，流動形態(tài)更為復雜，板式換熱器在較小的入口流速下即可達到湍流流態(tài)。而常規(guī)的標準k-e雙方程模型對于板式換熱器的模擬，難以達到其精度要求。文中主要采用SST k-w與RNG k-e湍流模型考慮板式換熱器內部的湍流模擬，兩種模型均對有旋流的湍流運動具有較好的預測性與精度。

2　計算結果與討論

2.1換熱特性

圖2示出文獻［13］中的試驗傳熱系數K與文中模擬結果隨Re的變化情況?？梢钥闯?，傳熱系數K隨著Re增大而增大，基本呈現線性關系。Re的增大提高了通道內部的湍流度，增強了邊界層的脫離，強化傳熱效果。數值模擬結果可以較好吻合文獻［13］中的試驗結果趨勢，但其值低于試驗結果。相對試驗研究，數值模擬更趨于理想化，如入口假設為充分發(fā)展，上下板片設定為絕熱邊界。相對RNG k-e模型，SST k-w湍流模型更接近模擬結果，數值誤差大約在20%以內。

圖2　傳熱系數隨Re的變化規(guī)律（模擬結果與試驗結果對比）

2.2壓降特性

圖3示出文獻［13］中試驗冷、熱側流體壓降與本文模擬結果隨Re的變化情況。與傳熱系數K的規(guī)律類似（見圖2），壓降隨著Re增大而增大；不同之處在于壓降隨Re增大的上升趨勢同時隨著Re的增大而增大。通過提高入口流速來提高板式換熱器的換熱性能，在高Re下會遇到壓降損失過大的問題。相對提高進口Re，提高波紋板片的數目（增大換熱面積），其經濟性能更為優(yōu)越。

Re的增大提高了湍流度以及流道內的漩渦強度，由于漩渦流動方向與主流方法并不一致，會導致壓降損失的提高。從圖3可以看出，對于兩種湍流模型，其模擬得到的壓降損失基本一致，但在高Re時、同時都高于試驗值，誤差大約在30%以內。板式換熱器全場模擬的難點在于網格劃分，尤其是針對復雜波紋表面的劃分情況，過低的網格密度難以捕捉板片的具體細節(jié)，而過高的網格分布則對計算資源要求很大。

對于換熱與壓降模擬結果與試驗結果的相對誤差，可以看出，相對RNG k-e模型，SST k-w湍流模型可以更為精確的吻合試驗結果。在類似的板式換熱器流動換熱模擬中，推薦利用SST k-w模型考慮波紋通道內的湍流流動。

圖3　進出口壓降隨Re的變化規(guī)律

2.3耦合面的溫度分布

圖4示出波紋板片耦合換熱面的溫度分布?？梢钥闯觯刂鵁崴畟冗M口至出口方向，溫度逐漸降低。熱水由左側進入，右側流出；冷水由右側進入，左側流出，耦合面上的溫度分布與上述逆流流動形式相符。高溫區(qū)主要分布在左側，低溫區(qū)在右側。對于正弦波紋板片，其波峰位置所對應的板片溫度要高于波谷位置。而對于整個傳熱過程，在靠近上下壁面接觸點位置，由于流體的擾動最劇烈，換熱系數最好，對應于圖中溫度分布片狀區(qū)域。在本文模擬中并未有明顯的溫度分配不均勻的現象，這表明此種雙V型人字形波紋板片較好地削弱了流體分配不均勻的現象。

圖4　耦合面的溫度分布

2.4冷水側的壓力分布

圖5示出冷水側的壓力分布?？梢钥闯?，壓力在均流區(qū)有較大的變化，而在主換熱區(qū)域，流體壓力基本沿著流動方向均勻降低。對于雙V型板式換熱器，在同一波紋板片褶皺上壓力相等。同時從圖5中可以看出，對于板式換熱器，其均流區(qū)壓降損失大概可以占整個流道壓降損失的10%～20%，合理設計均流區(qū)的形狀，可以有效地降低整場壓力損失，強化波紋板片的綜合性能，進而提高其經濟運行效率。

圖5　冷水側的壓力分布

2.5波紋通道內的流動跡線及速度矢量

圖6示出冷水側的流體通道內的流動跡線。可以看出，交錯的波紋板片組成的流道內存在復雜的流動形態(tài)，流線開始于入口處，流經導流區(qū)，進入主換熱區(qū)，最后流出換熱通道。文中模擬冷熱側板片采用單邊流布置，流體更傾向于從流動阻力較小的區(qū)域流動，即冷水側進、出口連線方向；而對于耦合面的上半部分，由于流體流程較長，阻力相對較大，流體分布較少。整個流動形態(tài)呈現“曲折流”，在接觸點附近，流體流道上下壁面之間的區(qū)域產生復雜的三維漩渦流動。此部分區(qū)域的漩渦，一方面減弱了流動邊界層以及熱邊界層；另一方面可以加強流道中心區(qū)域的流體與近壁面附近的流體的混合，強化換熱。漩渦的方向與流道方向不一致，屬于復雜的二次流，此類漩渦同時也增大了壓強損失。

圖6　冷水側的流體通道內的流動跡線以及局部放大圖

圖7示出流體通道的截面速度矢量分布?？梢钥闯?，在波紋通道內，上下流道內存在方向相反的漩渦流動。在通道內，流體一方面沿著波紋槽道從入口向出口流動；另一方面在上下壁面觸點附近，核心區(qū)域與近壁區(qū)域進行摻混，提高了換熱性能。

圖7　XZ截面速度矢量分布

3　結論

文中采用RNG k-e與SST k-w湍流模型，研究了一種雙V型板式換熱器內部的流動換熱情況，模擬結果與文獻的試驗數據進行對比，得到如下結論。

（1）傳熱系數與進出口壓降隨著入口Re的增大而增大，其中壓降隨著Re的增大趨勢在高Re下逐步增大。相比RNG k-e，SST k-w湍流模型所得的模擬結果與試驗值吻合更好，在類似的板式換熱器模擬中推薦采用SST k-w湍流模型來考慮波紋通道內的湍流運動。

（2）正弦波紋板片，其波峰位置所對應的板片溫度要高于波谷位置，雙V型波紋板片可以較好地削弱流體分配不均勻的現象。

（3）波紋板片均流區(qū)的壓降占整個通道壓降損失的10%～20%，合理設計此部分區(qū)域可以提高整個板式換熱器運行的經濟性。

（4）在上下壁面接觸點附近存在復雜的二次流，此部分區(qū)域的漩渦會減弱流動及換熱邊界層，強化換熱。由于漩渦流向與槽道走向并不一致，漩渦的存在同時會加大壓降損失。

［1］劉巍，朱春玲.分流板開孔面積對微通道換熱器流量分配的影響［J］.流體機械，2014，42（1）:6 -10.

［2］Focke W W，Zachariades J，Olivier I.The effect of the corrugation inclination angle on the thermo hydraulic performance of plate heat exchangers［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1985，28（8）:1469 -1479.

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［13］張井志.人字形板式換熱器換熱流動特性的數值分析與試驗研究［D］.濟南:山東大學，2013.

Numerical Simulation of a Double V Pattern Corrugation Plate Heat Exchanger

ZHOU Nai-xiang1，2，LENG Xue-li2，WANG Shu-jun3
（1.Shandong Urban and Rural Planning and Design Institute，Jinan 250013，China；2.School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；3.Xintai New City Heating Power Co.，Ltd.，Tai'an 271000，China）

Heat transfer characteristics，pressure drops，temperature distributions at the heat transfer plate，and flow patterns in the corrugation passage of a double V type commercial plate heat exchangerwere investigated numerically.The results indicate that the heat transfer coefficients K and pressure drops increase with increasing Re.The numerical data fit well with the experimental results.Compared with the RNG k-e turbulencemodel，the numerical results obtained with the SST k-w model show better agreementwith the experimental results.The pressure drop in flow equalization region is about10%～20%of the total pressure drop，which indicates thata reasonable design of this region will improve the overall performance of plate heatexchangers.A complex second-order flow is observed near the contact points.These vortexes will thin the flow boundary layer，thus enhance the heat transfer process.It should be noted that the direction of these vortexes is different from that of corrugation passage，and the vortexwill increase thepressure drops too.This double V type commercial plate heat exchanger can weaken the flow misdistribution in the corrugation passages.

plate heat exchangers；numerical study；heat transfer；pressure drop

TH49；TQ050.2；TQ051.5

A

1001-4837（2015）11-0027-06

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.005

2015-06-15

2015-08-17

周乃香（1987-），女，工程師，主要研究方向為強化換熱與節(jié)能技術，通信地址:250013山東省濟南市解放路9號山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，E-mail:zjzsdu@ 163.com。

山東省科技發(fā)展計劃（2012GGX10421）