姜未汀, 黃永帥, 韓維哲, 史文斯

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

板式換熱器單相換熱和壓降數(shù)值模擬

姜未汀, 黃永帥, 韓維哲, 史文斯

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

建立了板式換熱器水側單流道CFD仿真計算模型,并通過與實驗點的對比驗證了該模型的精確性.基于數(shù)值模擬結果,擬合得到板式換熱器水側換熱系數(shù)和摩擦因子計算關聯(lián)式,為板式換熱器的優(yōu)化設計提供了依據(jù).

板式換熱器; 單相; 換熱; 壓降; 數(shù)值模擬

隨著板式換熱器應用領域的不斷發(fā)展,國內外對板式換熱器的研究也趨于多樣化.一直以來,國內外對板式換熱器水側換熱的研究主要建立在實驗的基礎上,多是通過搭建板式換熱器水-水性能測試實驗臺研究其水側換熱和壓降特性,并通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到換熱系數(shù)和摩擦因子的計算關聯(lián)式.李曉亮[1]通過實驗研究了不同波紋傾角人字形板式換熱器的換熱性能,并得到板式換熱器單相換熱和摩擦系數(shù)的計算關聯(lián)式;KHAN T S等人[2]通過實驗研究了3種流道下板式換熱器水-水單相換熱特性,基于實驗數(shù)據(jù)得到努賽爾數(shù)經驗關聯(lián)式;AYUB Z H[3]歸納總結了板式換熱器水-水單相換熱和壓降經驗關聯(lián)式.目前,實驗研究板式換熱器單相換熱和壓降理論已趨于成熟[4-5],這些實驗研究結果為本文提出的以數(shù)值模擬研究板式換熱器單相換熱和壓降特性提供了扎實的理論基礎和指導.結果表明,利用數(shù)值模擬研究板式換熱器單相換熱和壓降特性具有可行性,同時節(jié)省了大量的實驗時間和經濟成本,可以推廣應用到基于冷媒的板式換熱器兩相換熱和壓降實驗研究中.

1 板式換熱器單流道數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模型的構建

板式換熱器一般由幾百張波紋板片組裝而成,如果按照實際比例建模,數(shù)值計算模型的網格數(shù)量巨大,這不僅需要高配置的計算機,而且仿真計算的時間較長,鑒于板式換熱器結構的重復性,通道數(shù)較多且周期性變化[6],對板式換熱器進行數(shù)學建模大多采取對板片部分區(qū)域進行建模.本文數(shù)值模擬的換熱器為江蘇唯益換熱器有限公司生產的B3-095S型釬焊板式換熱器,其尺寸參數(shù)如表1所示.

表1 板式換熱器尺寸參數(shù)

本文利用Gambit2.4.6建立了水側單流道仿真模型,如圖1所示.該模型由上下兩個板片構成,上下板片之間形成了多個交錯的水流道,水由入口流入后,進入下側兩個流道,流至周期性壁面時被折返進入上側流道,上側水流至周期性邊界時被折進入下側水流道,以此循環(huán)流動,直至從出口流出.

圖1 水側單流道仿真

模型由水側入口、水側出口、周期性邊界和換熱壁面構成,邊界條件定義如下:水側入口采取速度入口邊界,入口流速和溫度設為恒定,速度方向為垂直于入口表面,并假設入口平面上每個點的速度都相等;板式換熱器通道的壁面假設為無滑移邊界條件,且壁面溫度假設為恒定值;對于周期性平面來說,流體的速度場和壓力相等;出口邊界條件設定為恒定壓力出口.

根據(jù)表1構建了B3-095S釬焊板式換熱器數(shù)值模型,該數(shù)值模型水側入口面積Ain為0.000 0267 32 m2,傳熱面積Aw為0.001 555 47 m2,模型總長度L為0.047 389 m,當量直徑De為0.004 1 m,水的所有物性參數(shù)來自Refprop.

1.2 數(shù)值模型的驗證

相比于實驗研究板式換熱器水側換熱和壓降特性,數(shù)值模擬是將板式換熱器部分區(qū)域進行模型化,由于板片結構的復雜性,構造的數(shù)值模型無法完全與實際板片結構相符合,模型僅是換熱器內部實際結構的高度理想化.通過數(shù)值模擬的方式研究板式換熱器換熱和壓降特性,數(shù)值模型的精確程度尤為重要,其決定了模擬結果能否正確反映板式換熱器實際換熱和壓降的性能.為了正確得到板式換熱器單相換熱和壓降性能,本文利用模擬結果與文獻[2]中實驗點對比的方法驗證該數(shù)值模型的正確性.

根據(jù)文獻[2]中的板式換熱器結構參數(shù)建立了相應的數(shù)值模型,并利用Fluent14.0進行模擬計算,CFD模型努賽爾數(shù)計算值與文獻[2]實驗點之間的精度對比如圖2所示.由圖2可以看出,CFD模型仿真結果與文獻[2]實驗點具有較高的吻合性,誤差在±5﹪以內,這說明提出的單流道CFD仿真模型對于模擬計算板式換熱器水側換熱和壓降特性是可行有效的.

圖2 文獻實驗值與模型計算值對比

2 數(shù)據(jù)處理方法

一般在要求不高的湍流條件下,板式換熱器整個流程的平均對流換熱系數(shù)計算式為[7]:

(1)

(2)

(3)

式中:Nu——努賽爾數(shù); hc——換熱系數(shù),W/m2·K; De——當量直徑,m; λ——導熱系數(shù),w/m·k; Re——雷諾數(shù); Pr——普朗特數(shù); C1——待求常數(shù); G——質量流率,kg/s·m2; Cp——比熱容,kJ/kg· ℃; μ——粘度,Pa·s.

總換熱量為:

(4)

式中:Q——換熱量,J; M——質量流量,kg/s; Tin,Tout——進口和出口溫度,K.

換熱系數(shù)為:

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:ΔT——對數(shù)平均溫差,K; Aw——模型傳熱面積,m2; ΔT1——進口溫度與壁面溫度差,K; ΔT2——出口溫度與壁面溫度差,K; Tw——壁面溫度,K. 摩擦系數(shù):

(9)

(10)

(11)

式中:f——摩擦系數(shù);ΔP——壓降,Pa; Pin,Pout——進口壓力和出口壓力,Pa; ρ——密度,kg/m3; L——模型長度,m; Ain——模型入口面積,m2.

3 換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)關聯(lián)式擬合

3.1 換熱系數(shù)關聯(lián)式擬合

由Fluent14.0計算得到不同入口溫度、壁面溫度下的計算結果如表2至表5所示.

表2 Tin=290.53,Tw=285.65,Pr=7.51時的計算結果

表3 Tin=282.53,Tw=277.65,Pr=9.60時的計算結果

表4 Tin=278.13,Tw=273.25,Pr=11.15時的計算結果

表5 Tin=313.03,Tw=308.15,Pr=4.56時的計算結果

基于計算結果,對式(1)進行回歸分析得到板式換熱器水側單相努賽爾數(shù)計算關聯(lián)式:

Nu=1.081 1Re0.518 2Pr0.314 5

130

(12)

模擬結果與關聯(lián)式計算值之間的精度對比如圖3所示.由圖3可以看出,兩者誤差基本在±10%線內,部分誤差在±5%線內,僅有少數(shù)點誤差較大,最大誤差為18.86%,平均誤差4.48%.

圖3 努賽爾數(shù)模擬計算值與關聯(lián)式計算值對比

3.2 摩擦系數(shù)關聯(lián)式擬合

液體在板式換熱器中的壓降主要來自摩擦阻力,以及角孔壓力等,一般摩擦壓降計算公式為:

f=C2Ren

(13)

式中:C2——待求常數(shù).

式(13)中,C2和n的數(shù)值依據(jù)具體的板片結構而定.本文考慮了水的進口速度和進口水溫對壓降的影響,提出了修正的摩擦系數(shù)計算模型:

(14)

基于模擬數(shù)據(jù),分別對式(13)和式(14)進行回歸分析,得到摩擦系數(shù)計算關聯(lián)式為:

f=5.746Re-0.258 7130

(15)

130

(16)

式(15)和式(16)擬合曲線之間的精度對比如圖4所示.

由圖4可以看出,由式(16)擬合得到的曲線與數(shù)據(jù)點之間的吻合度更好,相關性更高,而由式(15)擬合得到的曲線與數(shù)據(jù)點之間偏離較大,所以本文提出的摩擦系數(shù)計算模型更能夠體現(xiàn)摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關系.

摩擦系數(shù)模擬結果與式(16)計算值之間的精度對比如圖5所示.由圖5可以看出,兩者誤差在±4%線內,最大誤差為3.27%,平均誤差僅為1.16%.

圖4 式(15)和式(16)計算模型擬合結果對比

圖5 摩擦系數(shù)模擬計算值與關聯(lián)式計算值對比

4 結 語

本文根據(jù)板式換熱器單相換熱實驗研究理論,構建了板式換熱器水側單流道仿真計算模型,通過與實驗點的對比驗證了該模型的精確性,并利用數(shù)值模擬分析了B3-095S釬焊板式換熱器水側單相換熱和壓降性能.分析結果表明,采取數(shù)值模擬研究分析板式換熱器水-水換熱和壓降特性是可行有效的,此數(shù)值研究方法可應用于不同型號的系列板式換熱器.

[1] 李曉亮.人字形板式換熱器強化傳熱研究及場協(xié)同分析[D].濟南:山東大學,2009.

[2] KHAN T S,KHAN M S,CHYU M C,etal.Experimental investigation of single phase convective heat transfer coefficient in a corrugated plate heat exchanger for multiple plate configurations[J].Applied Thermal Engineering,2010(30):1 058-1 065.[3] AYUB Z H.Plate heat exchanger literature survey and new heat transfer and pressure drop correlations for refrigerant evaporators[J].Heat Transfer Engineering,2003,24(5):3-16.

[4] MOTA F A S,RAVAGNANI M A S S,CARVALHO E P.Optimal design of plate heat exchangers[J].Applied Thermal Engineering,2014,63(1):33-39.

[5] 楊艷,王英龍.板式換熱器設計選型的一種計算方法[J].石油煉制與化工,2004(5):54-56.

[6] 李想.板式換熱器傳熱的數(shù)值模擬及波紋板參數(shù)優(yōu)化[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2013.

[7] 楊崇麟,張明石,王中錚.板式換熱器工程設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:45-56.

(編輯 白林雪)

Numerical Simulation of Single-phase Heat Transfer and Pressure Drop in Plate Heat Exchangers

JIANG Weiting, HUANG Yongshuai, HAN Weizhe, SHI Wensi

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

A single channel CFD simulation calculation model of a plate heat exchanger is established and the accuracy of the model is verified by comparison with the experimental points.The water side heat transfer coefficient and frictional coefficient calculation correlations of plate heat exchanger are obtained based on the numerical simulation.The correlations provide the basis for the optimization design of plate heat exchanger.

plate heat exchanger; single phase; heat transfer; pressure drop; numerical simulation

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.003

2015-08-27

簡介：黃永帥(1989-),男,在讀碩士,江蘇徐州人.主要研究方向為板式換熱器性能測試與優(yōu)化設計.E-mail:hys1126795869@126.com.

TK172

A

1006-4729(2016)06-0519-05