張仲彬，張　浩，鄭孔橋

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

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板式換熱器分配區(qū)改造的數值模擬及場協同分析

張仲彬，張浩，鄭孔橋

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

摘要：對人字形板式換熱器冷熱雙流道計算模型進行分配區(qū)結構改造，建立了新計算模型。利用計算流體力學軟件對不同工況下兩換熱器模型內流體的流動和傳熱進行了數值模擬，對比了兩模型內的速度場和溫度場，并運行場協同原理分析了流道內的速度場和溫度場及速度場和壓力場的協同性。結果表明：新模型的速度場和壓力場的協同性更好，在換熱能力相同情況下，壓降較低，經濟性得到提高。

關鍵詞：板式換熱器、分配區(qū)、數值模擬、場協同理論

板式換熱器作為一種通用的熱能動力機械設備，已被廣泛使用于醫(yī)藥、制冷與暖通、余熱回收、動力及石油化工、航空航天等絕大部分工業(yè)領域，可以作為冷凝器、蒸發(fā)器、回熱器及中間冷卻器等，其應用范圍不斷擴大。由于數值模擬方法研究高效、經濟等優(yōu)點，在板片的設計、選型和優(yōu)化等過程得到了廣泛應用。黃莉、崔立祺、曲寧和吳華新[1-4]等分別截取人字形波紋板式換熱器50 mm×100 mm，50 mm×110 mm和128 mm×128 mm主流區(qū)域進行模擬計算分析，得到了波紋夾角β、高度h和間距l(xiāng)對換熱器性能的影響，并利用計算結果擬合各幾何參數與努謝爾特數、壓力降之間的關系曲線。Flavio C.C.Galeazzo[5]等人通過對板式換熱器的數值模擬，發(fā)現在通道內存在流體流動不均和流量分布不均的現象。Carla S.Fernandes[6]等人對高粘度流體在板式換熱器內的流動進行了模擬，發(fā)現在層流狀態(tài)下，流體的扭曲系數和摩擦相關性系數隨著波紋傾斜角的減少和通道寬高比的增加而增加。Xiao-Hong Han[7]等人根據板片的完整結構建立了雙流道的三維計算模型，發(fā)現在板片進、出口處都存在流動死區(qū)。板間的流量分布不均或流動死區(qū)與分配區(qū)結構息息相關，分配區(qū)的結構對板式換熱器的性能有著重要影響。本文在原有的冷熱雙流道幾何模型基礎上，對分配區(qū)結構進行改造并建立了新的模型，對兩種模型在不同工況條件下的進行數值模擬，得到其速度場與溫度梯度場的夾角隨Re的變化情況，并運用場協同理論對模擬結果進行三場協同分析。

1換熱器的數值計算模型

1.1物理模型

研究對象為BR0.015F型人字形，基本參數為：換熱面積0.015 m2，波高2 mm，法相節(jié)距6 mm，β角60°，材料為304不銹鋼[8-9]。筆者按照該板片圖紙的實際尺寸建立三維計算模型A，計算區(qū)域如圖1所示。在模型A的基礎上，改造分配區(qū)的結構，建立了模型B，計算域如圖2所示，冷熱流體對角逆向流動，上側流動為熱流體，A端流入C端流出下例流道為冷流體，D端流入B端流出。

圖1 幾何模型A圖2 幾何模型B

1.2相關假設

由于研究的傳熱問題沒有相變，流道內的溫差較小，故進行如下假設：①流動各物理量不隨時間變化，設為定常流動；②流體為不可壓縮的牛頓流體；③忽略流體流動時的黏性耗散作用所產生的熱效應。

1.3數學模型

相關的控制方程如下：

連續(xù)方程

(1)

式中：u、v和w分別為x、y和z方向上的速度分量，m/s。

動量方程

(2)

式中：i為方向；Ui為i方向上的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；p為壓力分量，Pa；μ為動力黏度，kg/m·s-1。

能量守恒方程

(3)

式中：T為溫度，K；α為流體熱擴散率，m/s。

RNGk-ε模型

(4)

(5)

1.4邊界條件

1.4.1壁面條件

外部邊界為無滑移速度邊界條件，冷熱流道接觸的面設為傳熱面，其余各面設為絕熱邊界條件。

1.4.2網格劃分

通過Pro/e軟件建立模型，并采用Gambit軟件進行網格劃分。由于傳熱器內部結構復雜，先將模型按進出口、分流區(qū)和波紋傳熱區(qū)分割成10部分，并各自填充網格，然后按梯次加密網格。當平均Nu開始穩(wěn)定、不再發(fā)生變化時，此時網格密度已經足夠滿足模擬精度的要求。

1.4.3數值計算

板間流動為單相流動，流動為湍流，采用RNGk-ε湍流模型，保持模型中的各參數值不變。計算采用分離變量隱式法求解，速度和壓力耦合采用SIMPLE算法，二階精度的迎風格式離散。

1.4.4進出口邊界條件

2改造前后傳熱及阻力特性分析

本文對進口流速在0.2 m/s-0.6 m/s間的5種工況進行了模擬計算，并以進口流速0.5 m/s為例，分析兩模型的速度場、溫度場和壓力場變化。

2.1板式換熱器流道內的速度場

圖3和圖4分別為進口流速u=0.5 m/s時模型A和模型B在y=0.2 mm截面上的速度分布。從圖中可以看出，模型A在進口分配區(qū)的上部存在“死區(qū)”，導致波紋區(qū)在入口段沿z方向存在明顯的流體流動不均現象，這是由于分配區(qū)結構不合理造成的；模型B在波紋區(qū)進口部分分流均勻，流體沿波紋區(qū)分布均勻。

圖3 模型Ay=0.2mm截面上的速度分布圖4 模型By=0.2mm截面上的速度分布

2.2板式換熱器流道內的溫度場

圖5和圖6分別為模型A與B在進口流速u=0.5 m/s時傳熱面熱側上的溫度分布。從圖中可以看出，隨著流體的流動，板片的溫度逐漸升高，模型A在波紋區(qū)的進口段沿z方向存在換熱不均的現象，且在波紋區(qū)的右上角明顯換熱較差，模型B在整個板片上換熱較為均勻，有利于增強換熱。

圖5 模型A在傳熱面冷側上的溫度分布圖6 模型B在傳熱面冷側上的溫度分布

3改造前后協同原理分析

過增元等[10]從流體速度矢量和熱流矢量夾角的角度重新思考了對流換熱的物理機制，提出了對流換熱強化的場協同原理。

許多學者已將場協同原理作為評價換熱表面的強化換熱效果或作為強化傳熱綜合性能的評價參量[11-13]。

3.1速度場與溫度場協同分析

軸上孔的防水和防火密封根據“高層民用建筑防火設計規(guī)范”，如果井中的孔設計不好，在發(fā)生井下時容易發(fā)生煙囪效應火。因此，當在建筑物電力軸中安裝電力時，需要加強軸中的孔的防水和防火密封。安裝質量直接影響建設項目的正常使用，這要求相關技術人員在實際工作中嚴格按照規(guī)定要求，嚴格控制安裝質量，確保其質量，從而保證建設項目的正常使用。該方法是使用防火隔板，火是用于密封孔的鋼板，然后填充一些防火阻擋材料，同時，可在地板周圍建造水泥砂漿阻水圈，防止水流入井筒阻火材料。

過增元[10]從對流換熱的能量方程出發(fā)，通過分析二維熱邊界問題得出無因次關系式

(6)

其中，Rex、Nux的定義與通常邊界層流動分析中相同。被積因子可寫成：

(7)

采用冷學禮[14]等對速度場和溫度場梯度局部協同角的改進式

(8)

式中，vL為流體速度，m/s；T為溫度梯度。

全場的速度和溫度梯度的平均協同角為

(9)

式中，dVi為第i個控制容積的體積元。

圖7　模型A的速度與溫度場協同角

圖8　模型B的速度與溫度場協同角

圖9　模型A的速度與壓力場協同角

圖10　模型B的速度與壓力場協同角

圖7和圖8為進口流速u=0.5m/s時，模型A與B的速度與溫度場協同角，η=10cosβ。從圖中可以看出，速度與溫度場協同角在板片中不是均勻分布的，在兩塊板片觸點附近速度與溫度夾角余弦值具有較大值，這是由于這部分區(qū)域存在強烈的湍流。在相同雷諾數時，模型B的速度與溫度場夾角更小，場協同性更高，換熱性能更好。

3.2速度場與壓力場協同分析

何雅玲[15]等從流體流動的動能方程出發(fā)，提出壓降梯度的做功率，記為

(10)

其中，α為速度和壓力梯度間的夾角?？梢钥闯?，在一定的流場分布情況下，壓力要做一定的功，當α<90 ℃時，減小速度場與溫度梯度場的夾角或在α>90 ℃時增大速度場與溫度場的夾角。這樣，壓力梯度的做功越強，產生的壓降越小。

定義速度和壓力梯度的局部協同角

(11)

全場的速度和壓力梯度的平均協同角

(12)

其中，dνi為第i個控制容積的體積元。

圖9和圖10為進口流速u=0.5m/s時，模型A與B的速度與壓力梯度的協同角，θ=-10cosα。從圖中可以看出，速度與壓力場協同角在板片內也不是均勻分布。相同雷諾數時，模型B的速度與壓力場協同角更大，兩場協同更好，壓降更小。

3.3模擬數據的處理

圖11和12給出了為模型A與B的速度與溫度的全場平均協同角θφ和速度與壓力的全場平均協同角θm隨雷諾數的變化關系。從圖中可以看出，隨著流速的增大，兩模型的速度與溫度場的夾角均減小，場協同性提高，換熱性能增強；而速度與壓力場夾角均減小，場協同性降低，壓降增大。在相同流速時，模型A與B的速度與溫度場平均角相差很小，換熱性能基本相同，而速度與壓力場平均角則明顯大于A，即相同流速下，模型B的內部流阻更小，壓降更低。

圖11 模型A與B的速度與溫度全場平均協同角圖12 模型A與B的速度與壓力全場平均協同角

4結論

板式換熱器分配區(qū)經過改進后，流道內流體分布更加均勻，改善了流動特性，流體流動阻力大大減小，同時板片整體換熱更加均勻，在換熱性能基本不變的同時，降低了壓降；而且流道內速度場與壓力場的協同性更好，經濟性得到提高。

參考文獻

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Numerical Simulation and Field Synergy Principle Analysis on the Distribution Area of Plate Heat Exchangers

ZHANG Zhong-bin，ZHANG Hao，ZHENG Kong-qiao

(Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：Based on the structure modification of distribution area of plate heat exchanger，a new calculation model was established which include cold and hot double flow channel.Under various working conditions，numerical simulation on heat transfer and pressure drop characteristics were performed for two models by computational fluid dynamic software.Velocity field and temperature field of the two models were compared and the synergy of the velocity field and temperature field and the synergy of the velocity field and pressure field were analyzed in flow channel.From the result，the synergy of the velocity field and temperature field in new model is better.Pressure drop is lower based on the heat transfer performance，and economy is improved.

Key words：Plate heat exchanger；Distribution area；Numerical simulation；Field synergy theory

中圖分類號：TK124

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2992(2016)01-0051-05

作者簡介：張仲彬(1973-)，男，內蒙古自治區(qū)通遼市人，東北電力大學能源與動力工程學院副教授，博士，主要研究方向：強化傳熱及表面材料的阻垢.

收稿日期：2015-09-12