李煜, 龔金科,陳健美,徐志明,劉冠麟,李玉強(qiáng),袁文華

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系,湖南 邵陽(yáng)，422000；2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082；3.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410205；4.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林，132012)

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板式換熱器流動(dòng)與傳熱特性的數(shù)值研究

李煜1,2,3, 龔金科2,陳健美3,徐志明4,劉冠麟3,李玉強(qiáng)3,袁文華1

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系,湖南 邵陽(yáng)，422000；2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082；3.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410205；4.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林，132012)

建構(gòu)了與BR0.015F型人字形波紋板式換熱器實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸完全相同的冷熱雙流道物理模型，采用Fluent軟件開(kāi)展了數(shù)值仿真，通過(guò)改變?cè)摀Q熱器的波紋節(jié)高比l/h、波紋傾斜角β和流道內(nèi)流體流動(dòng)形態(tài)，分析了其流動(dòng)和傳熱特性，明晰了板片結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)流動(dòng)和傳熱特性的影響，最終獲得了壓降與換熱最佳時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù).結(jié)果表明：板式換熱器的l/h越小時(shí)，其換熱越好且流阻越小，l/h=2.4時(shí)的換熱效果最佳且流阻最小；隨著β的增大，其換熱效果增強(qiáng)，但其流阻亦增大，β=45°時(shí)的同功耗換熱效果最佳；單邊流的流動(dòng)與傳熱特性均優(yōu)于對(duì)角流.

板式換熱器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；流動(dòng)；傳熱；仿真

換熱器[1]包括板式和管殼式等型式，尤其是前者，現(xiàn)已在能源動(dòng)力各相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前關(guān)于其性能的研究主要圍繞基于實(shí)驗(yàn)或仿真這兩種手段對(duì)其流動(dòng)與傳熱特性開(kāi)展，研究目標(biāo)在于降低壓降的同時(shí)提升傳熱效果.

在實(shí)驗(yàn)研究方面，W.W.Focke[2,3]的工作最具突破性，他基于前人成果，采用有限擴(kuò)散電技術(shù)(DNCT)，類(lèi)比估算傳熱速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：人字形板式換熱器內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱較大程度受波紋夾角β的影響，流體在波紋通道間有十字交叉流與曲折流兩種流態(tài)且隨β的增大，十字交叉流漸變?yōu)榍哿?，同時(shí)，摩擦因子f和傳熱因子j亦隨之增大，在β達(dá)80°后增速變緩.天津大學(xué)的趙鎮(zhèn)南教授[4]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了W.W.Focke的發(fā)現(xiàn)并指出換熱器的流阻壓降不變時(shí)的傳熱速率不受波紋夾角的影響.

然而，實(shí)驗(yàn)研究雖能直接獲取換熱器的整體性能，研發(fā)周期卻較長(zhǎng)且靡費(fèi)較大，亦無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際工況需求，而數(shù)值仿真高效、經(jīng)濟(jì)，故逐漸被廣泛應(yīng)用于板片的研發(fā)與優(yōu)化[5-7].Kanaris等[8]構(gòu)建了含兩完整波紋通道的三維數(shù)理模型，分析了其內(nèi)部流動(dòng)與傳熱情況并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性.C.C.Flavio等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合仿真分析了板式換熱器內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱特性，證實(shí)了板式換熱器數(shù)值研究的可行性與優(yōu)越性.Tsai等[10]構(gòu)建了完整的含出入口、波紋傳熱區(qū)和分配區(qū)的板式換熱器三維模型，研究了其板片內(nèi)部的水力和流動(dòng)特性.在國(guó)內(nèi)，崔立祺和曲寧等[11,12]針對(duì)截取后的人字形波紋板式換熱器部分主流區(qū)域進(jìn)行仿真研究，明晰了波紋傾斜角、波紋節(jié)距和波紋高度對(duì)換熱器流阻與傳熱性能的影響，描繪了努塞爾數(shù)Nu和流阻壓降隨波紋參數(shù)的變化曲線.黃莉[13]對(duì)人字形板式換熱器的波紋參數(shù)開(kāi)展了數(shù)值仿真，獲取了一組板片最優(yōu)參數(shù)并發(fā)現(xiàn)了板間流體流態(tài)只與板片結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與流速無(wú)關(guān).仇嘉等[14]研究了板式換熱器并聯(lián)流道數(shù)和分配器出口位置對(duì)流道間單相流和兩相流流動(dòng)分配均勻性能的影響，發(fā)現(xiàn)前者強(qiáng)于后者.陳文超等[15]數(shù)值仿真了人字形板式換熱器的溫度場(chǎng)，結(jié)果表明平行于速度入口方向的溫度梯度變化明顯強(qiáng)于垂直于速度入口方向且前者較后者的溫度梯度變化更為清晰.

綜上所述，國(guó)內(nèi)外已有較多板式換熱器流動(dòng)與傳熱特性的研究，其中有實(shí)驗(yàn)的，也有仿真的，尤其是仿真，為板式換熱器的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了許多有用的參考資料；但因其特殊的流道，仿真前期的建模和網(wǎng)格劃分難度較大，網(wǎng)格數(shù)大、計(jì)算任務(wù)重乃至無(wú)法完成計(jì)算，故大多數(shù)研究人員是以截取的波紋區(qū)域部分結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象來(lái)分析其流動(dòng)與傳熱過(guò)程，這雖解決了計(jì)算問(wèn)題，但與換熱器實(shí)際流動(dòng)與傳熱過(guò)程有一定差異，可能并不能準(zhǔn)確描述其流動(dòng)與傳熱特性.為此，筆者建構(gòu)了與BR0.015F型人字形波紋板式換熱器實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸完全相同的冷熱雙流道物理模型，采用Fluent軟件開(kāi)展了數(shù)值仿真，通過(guò)改變?cè)摀Q熱器的波紋節(jié)高比l/h、波紋傾斜角β和流道內(nèi)流體流動(dòng)形態(tài)，分析了其流動(dòng)和傳熱特性，明晰了板片結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)流動(dòng)和傳熱特性的影響，最終獲得了壓降與換熱最佳時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù).

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 物理模型

文中采用的板式換熱器為吉林四平巨元瀚洋板式換熱器廠生產(chǎn)的BR0.015F型人字形波紋板式換熱器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和板片分別如圖1、2所示，該換熱器及板片的相關(guān)參數(shù)如表1所列.筆者據(jù)表1所列參數(shù)和板片實(shí)際尺寸建構(gòu)了如圖3所示的冷熱雙流道物理模型.上下流道內(nèi)冷熱流體均為單邊流，上側(cè)為熱流體，由A端流入、B端流出；下側(cè)為冷流體，由C端流入、D端流出.

圖1 板式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Internal geometry diagram of a plate heat exchanger

圖2 BR0.015F型板式換熱器人字形波紋板片F(xiàn)ig.2 A plate of the BR0.015F-type herringbone corrugated plate heat exchanger

圖3 冷熱雙流道流動(dòng)與傳熱物理模型Fig.3 The cold & hot dual-fluid-channel physical model of flow & heat transfer

表1 BR0.015F型板式換熱器及板片參數(shù)Table 1 Parameters of BR0.015F-type plate heat exchanger & its plates

1.2 數(shù)學(xué)模型

因所研究的為較小溫差的流道內(nèi)單相流體傳熱問(wèn)題，故其流體流動(dòng)可假定為不計(jì)重力與浮升力并忽略粘性耗散熱效應(yīng)的不可壓縮牛頓流體的定常流動(dòng).

該板式換熱器的控制方程可描述如下：

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

RNGk-ε模型

(4)

(5)

1.3 邊界條件

1.3.1 壁面條件

設(shè)定冷熱流道接觸面為換熱面，其余各面為絕熱邊界.

1.3.2 進(jìn)出口邊界條件

進(jìn)口為速度入口，溫度用實(shí)驗(yàn)值，速度經(jīng)流量算得；出口為壓力出口，用實(shí)驗(yàn)的出口表壓值.

1.4 網(wǎng)格劃分

以Pro/E軟件建模、Gambit軟件中的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃網(wǎng)格，且依進(jìn)出口、波紋傳熱區(qū)和分流區(qū)將模型分割為十部分并填充網(wǎng)格，隨后依梯次網(wǎng)格加密，當(dāng)波紋傳熱區(qū)網(wǎng)格步長(zhǎng)達(dá)0.5mm(網(wǎng)格數(shù)約144萬(wàn))時(shí)，傳熱計(jì)算開(kāi)始穩(wěn)定，此時(shí)網(wǎng)格密度已達(dá)仿真精度.

1.5 數(shù)值求解

采用k-εRNG湍流模型且維持其參數(shù)值恒定并用分離變量隱式法求解，以SIMPLE算法耦合速度與壓力，以二階迎風(fēng)格式離散動(dòng)量和能量方程.

1.6 計(jì)算方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

換熱器的仿真研究主要有兩種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法：等雷諾數(shù)法和等流速法[16,17].前者反復(fù)又復(fù)雜；而后者簡(jiǎn)便又實(shí)用，只需確保冷熱流道流速相等且Re的差值不超過(guò)15%.筆者基于BR0.015F型人字形板式換熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了建構(gòu)的仿真模型，具體方法與過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[18].傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比如表2所列，表中每個(gè)工況的上下側(cè)分別指熱、冷流道，與實(shí)驗(yàn)相比，仿真算得的傳熱系數(shù)誤差均小于5%，說(shuō)明該仿真模型可信.

表2 傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of experimental & simulation results of heat transfer coefficient

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 波紋節(jié)高比對(duì)流動(dòng)和傳熱性能的影響

人字形板式換熱器流動(dòng)與傳熱特性受其波紋法向節(jié)距和波紋高度變化的影響很大.事實(shí)上，波紋法向節(jié)距和波紋高度二者常互相影響，故選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)牟y法向節(jié)距和波紋高度的比值，即節(jié)高比l/h，比僅選擇波紋法向節(jié)距和波紋高度更有意義.文中仿真研究了5組不同速度工況的波紋節(jié)高比對(duì)人字形板片流動(dòng)和傳熱性能的影響.

圖4表示不同節(jié)高比l/h下努塞爾數(shù)Nu和雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系.縱坐標(biāo)為Nu/Nu0，其中Nu0=7.54，為無(wú)限大恒壁溫平板的Nu.由圖可知，隨著Re的增加，不同l/h的Nu均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且l/h=2.4時(shí)傳熱最好，l/h=3時(shí)最差.在相同Re下，節(jié)高比l/h=2.4的Nu比節(jié)高比l/h=3的Nu平均高出25.91%.

圖5表示不同節(jié)高比l/h下摩擦阻力系數(shù)f和Re的變化關(guān)系.縱坐標(biāo)為f/f0，f0=96/Re為無(wú)限大恒壁溫平板的摩擦阻力系數(shù).由圖可知，在Re=70～950范圍內(nèi)，人字形板片的摩擦阻力系數(shù)是無(wú)限大光滑平板通道的 2～600倍.在相同Re時(shí)，人字形板片的摩擦阻力系數(shù)隨著l/h的增加不斷增加，且增加幅度越來(lái)越大.節(jié)高比l/h=2.4時(shí)的摩擦阻力系數(shù)最小，即流動(dòng)阻力最小.

圖5 f隨Re的變化Fig.5 f vs.Re

圖7 Nu隨Re的變化Fig.7 Nu vs.Re

2.2 波紋傾斜角對(duì)流動(dòng)和傳熱性能的影響

波紋傾斜角對(duì)板式換熱器的流動(dòng)與傳熱具有重要影響，文中仿真了7組不同速度工況的波紋傾斜角β對(duì)人字形板片流動(dòng)和傳熱性能的影響.

圖7表示不同波紋傾斜角β下的Nu隨Re的變化關(guān)系.縱坐標(biāo)為Nu/Nu0，其中Nu0=7.54，為無(wú)限大恒壁溫平板的Nu.由圖可知，在Re=70～950范圍內(nèi)，人字形板片的Nu隨著波紋傾斜角度的增加不斷增加，當(dāng)波紋傾斜角β>72°時(shí)，在相同Re下，其N(xiāo)u相差很小，這表示傾角在72°～80°時(shí)，傳熱具有極大值，與W.W.Focke[1,2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

圖8表示不同波紋傾斜角β下的f和Re的變化關(guān)系.縱坐標(biāo)為f/f0，其中f0= 96 /Re為無(wú)限大恒壁溫平板的摩擦阻力系數(shù).由圖8可知，在Re=70～950范圍內(nèi)，人字形板片的摩擦阻力系數(shù)是無(wú)限大光滑平板通道摩擦阻力系數(shù)的2～130倍.人字形板片的摩擦阻力系數(shù)隨著波紋傾斜角度的增加不斷增加，且增加幅度越來(lái)越大，當(dāng)波紋傾斜角β>72°時(shí)，在相同雷諾數(shù)下，其摩擦阻力系數(shù)相差很小，這表示傾角在72°～80°時(shí)，摩擦因子具有極大值，與W.W.Focke的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

一般國(guó)內(nèi)制造廠家對(duì)于板式換熱器的阻力特性是以歐拉數(shù)Eu與雷諾數(shù)Re之間的準(zhǔn)則關(guān)系給出的[19]：

Eu=bRed

(6)

或

Δp=bRed·ρu2=Euρu2

(7)

式中，b為系數(shù)，d為指數(shù).

圖8 f 隨Re的變化Fig.8 f vs.Re

圖9 Eu隨Re的變化Fig.9 Eu vs.Re

圖9表示不同波紋傾斜角β下的Eu與Re的變化關(guān)系.由圖可知，人字形板片的Eu隨著波紋傾斜角度的增加不斷增大，且增大幅度越來(lái)越小，說(shuō)明其動(dòng)量損失率變小.在相同Re下，當(dāng)波紋傾斜角β>72°時(shí)，其Eu相差很小，與圖8結(jié)果吻合，表示Eu同樣能很好地表征換熱器的阻力特性.

圖10表示不同波紋傾斜角β下強(qiáng)化傳熱綜合性能指數(shù)PEC隨Re的變化關(guān)系，由圖可知，不同波紋傾斜角β下人字形板片的綜合性能指數(shù)隨Re增加均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且增加的幅度越來(lái)越小.當(dāng)β=45°時(shí)，強(qiáng)化傳熱指數(shù)最高，即同功耗下其傳熱效果最好；β=30°時(shí)強(qiáng)化傳熱指數(shù)最低，即同功耗下其傳熱效果最差.

圖10 PEC隨Re的變化Fig.10 PEC vs.Re

2.3 流體流動(dòng)形態(tài)對(duì)流動(dòng)和傳熱性能的影響

流體在人字型板式換熱器板片上的流動(dòng)方式有兩種：?jiǎn)芜吜骱蛯?duì)角流.文中通過(guò)數(shù)值仿真研究了單邊流和對(duì)角流對(duì)板式換熱器的流動(dòng)和傳熱特性的影響.

圖11 f與u的變化關(guān)系Fig.11 f vs.u

圖12 j與u的變化關(guān)系Fig.12 j vs.u

3 結(jié)論

通過(guò)建構(gòu)BR0.015F型人字形波紋板式換熱器冷熱雙流道物理模型來(lái)數(shù)值仿真，得出以下結(jié)論：

(1)板式換熱器的波紋節(jié)高比l/h越小，其換熱越好且流阻越小，l/h=2.4時(shí)換熱效果最佳且流阻最??；

(2)隨著波紋傾斜角β的增大，其換熱效果增強(qiáng)，但其流阻亦增大，β=45°時(shí)的同功耗換熱效果最佳；

(3)單邊流的流動(dòng)與傳熱特性均優(yōu)于對(duì)角流.

[1]黃建設(shè).汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱在高原上的利用研究[J].邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自科科學(xué)版)，2005，2(2)：65-66.

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Numerical study on flow and heat transfer characteristics of a plate heat exchanger

LI Yu1,2,3,GONG Jinke2,CHEN Jianmei3,XU Zhiming4,LIU Guanlin3,LI Yuqiang3,YUAN Wenhua1

(1.Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China;2.College of Mechanical & Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;3.Department of Mechanical Engineering,HunanInternational Economics University,Changsha 410205,China;4.School of Energy and Power Engineering,NortheastDianli University,Jilin 132012,China)

A cold & hot dual-fluid-channel physical model whose geometry and sizes are completely the same as those of a real BR0.015F-type herringbone corrugated plate heat exchanger was set up and numerical simulation was carried out based on Fluent Software.The flow and heat transfer characteristics of the exchanger was analyzed after changing its ratio l/h of normal corrugated pitch to corrugated height,corrugated inclination angle β and fluid flow pattern in the fluid channel,the effects of variation of plate geometric parameters on its flow and heat transfer characteristics were known and the geometric parameters that have the optimal effect of pressure drop as well as heat transfer were obtained.The result shows that the smaller the l/h of the plate heat exchanger,the stronger the heat transfer effect as well as the smaller the flow resistance and the heat transfer effect is strongest as well as the flow resistance is smallest at l/h=2.4; the heat transfer effect enhances as well as the flow resistance increases by increasing β and the heat transfer effect is best with the same power consumption at β=45°; both flow and heat transfer characteristics of a single-side flow are superior to those of a diagonal flow.

plate heat exchanger; geometric parameter; flow; heat transfer; simulation

1672-7010(2016)02-0075-08

2016-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276056,51176045,91541121); 湖南省教育廳科研項(xiàng)目(13C492)

李煜(1984-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，湖南大學(xué)在讀博士研究生,講師，從事工程傳熱傳質(zhì)和燃燒學(xué)研究

徐志明(1959-)，男，吉林九臺(tái)人，博士、教授、博士生導(dǎo)師，從事強(qiáng)化傳熱與換熱設(shè)備污垢研究；E-mail:xuzm@mail.nedu.edu.cn

TK124

A