劉思宇

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125100）

0 引言

人字形板式熱交換器是核電廠中所普遍使用的間壁式換熱器，具有純逆流、結(jié)構(gòu)緊湊、有限空間內(nèi)換熱面積大、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了管殼式換熱器的不足，因冷、熱流體彼此間互不接觸滲透混合這一特性使其成為一種使用廣泛、需求量大的換熱裝備[1]。換熱板是板式換熱器的核心部件，板片表面沖壓的形狀與幾何尺寸決定其傳熱與流阻性能[2]，依靠換熱板表面沖壓不同形狀并按一定分布規(guī)律使流體流向與流速發(fā)生變化，促使擾流程度增強(qiáng)，從而提高換熱效率。

1 FLUENT 在換熱器模擬中的應(yīng)用

FLUENT 作為CFD 中的一種，是用來模擬與分析流體流動(dòng)、傳熱和沖蝕等問題的軟件[3]。FLUENT 對換熱器進(jìn)行模擬時(shí)主要涉及的部分有物理模型、有限元模型、邊界條件、湍流模型、控制方程和相關(guān)參數(shù)及屬性等。利用GAMBIT 軟件來完成物理模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件的定義。再導(dǎo)入FLUENT 進(jìn)行流體的性能分析，由于處于湍流中的流體具有強(qiáng)烈的擾流程度，使換熱變得更加的充分，因此對換熱器進(jìn)行模擬時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型[4]。

2 人字形傳熱板概述

人字形傳熱板片是由一系列人字狀波紋沿其軸向按照一定間距分布而成周期性變化，板束是由許多人字形傳熱板片按一定間隔通過橡膠墊片壓緊而成，此種結(jié)構(gòu)不僅使支撐強(qiáng)度與承壓能力增強(qiáng)而且使流體受擾程度劇烈流，曲折人字形狀流道會(huì)不斷地改變流質(zhì)流速與流向進(jìn)而使導(dǎo)流區(qū)的規(guī)則流在主傳熱區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻徊媪?，從而產(chǎn)生二次流動(dòng)，使其在很低的流速下就能達(dá)到湍流狀態(tài)以至于有很高的傳熱效率及熱回收率[5]。

3 強(qiáng)化傳熱機(jī)理

具有溫差的兩種流質(zhì)在忽略熱量損失的情況下，其換熱模式總是從高溫向低溫過度進(jìn)而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。層流與湍流為流體流動(dòng)的兩種基本形式，層流一般發(fā)生于傳導(dǎo)而湍流一般則發(fā)生于對流[6]。層流是有規(guī)則的，但因流道壁的摩擦力致使流質(zhì)在壁面上的流動(dòng)緩慢，湍流是無規(guī)則渦流流動(dòng)，但流道壁周圍總會(huì)呈現(xiàn)層流膜，湍流程度的增強(qiáng)導(dǎo)致管道壁層流膜變薄，實(shí)現(xiàn)在單位有效換熱面積最小的基礎(chǔ)上傳遞相同熱量，進(jìn)而達(dá)到最高的換熱效率。

根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)換熱量Q=KAΔtm，其中換熱溫差Δtm、傳熱系數(shù)K 與有效換熱面積A 是換熱量的主要承擔(dān)因素[7]，若增大換熱量，就必須增大三者之一。換熱系數(shù)越高，傳熱效率就越大，需要的換熱面積就小，而換熱溫差由同向流與逆向流決定，相同工況下，逆向流的換熱溫差要高于同向流，故逆向流換熱模式的熱交換器具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。

4 模型的預(yù)處理

人字形傳熱板片按照主傳熱區(qū)沿其軸向的波紋角度大小可分為大于90°硬板H 與小于90°軟板W 兩類，換熱效率的高低取決于波紋角度、波紋深度、分布間距等，但影響最大的因素為波紋角度。本次傳熱模擬的流質(zhì)模型具有相同的換熱面積與流通截面積，在分布間距P=3 mm 與波紋深度D=0.5 mm 相同的工況下，對角度為60°的軟板與角度為120°的硬板在不同流速下進(jìn)行模擬分析，入口速度以流量1 m/s 為基準(zhǔn)按0.2 m/s 間隔遞增，直至2.0 m/s 為止。模型的預(yù)處理包括網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定及確定求解方法等3 部分。首先通過三維建模軟件PROE 生成實(shí)體模型，再將實(shí)體模型另存為IGES 文件后導(dǎo)入Gambit 中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定。由于波紋板模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在網(wǎng)格劃分的過程中很容易出現(xiàn)扭曲度較大的網(wǎng)格進(jìn)而會(huì)對網(wǎng)格的劃分質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣是模擬計(jì)算的關(guān)鍵部分，故本次均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的Tet/Hybrid 網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格的間距取0.65 mm，硬板H 與軟板W的局部網(wǎng)格劃分分別如圖1和圖2 所示。

圖1 硬板H 局部放大網(wǎng)格

圖2 軟板W 局部放大網(wǎng)格

通過實(shí)際工況設(shè)定模擬邊界條件，入口設(shè)置為Velocity inlet，出口設(shè)置為Pressure outlet，板管壁面與側(cè)面均設(shè)置為不可滲透的無滑移邊界。入口溫度為40 ℃，板管內(nèi)介質(zhì)為水，板壁面溫度為恒壁溫12 ℃。本文模擬計(jì)算均選用SIMPLE 算法進(jìn)行離散計(jì)算，其相應(yīng)的參數(shù)選擇為默認(rèn)值。湍流模型選擇為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，湍流參數(shù)中的湍流強(qiáng)度定義為4.7，水力半徑定義為0.2 m。選擇二階迎風(fēng)的格式對模型進(jìn)行離散化處理[8]，在計(jì)算過程中所涉及的方程有動(dòng)量方程、湍流方程、質(zhì)量方程和能量方程，其殘差精度不同[9]。計(jì)算結(jié)果是否收斂將通過設(shè)定的殘差曲線來進(jìn)行判定，當(dāng)曲線達(dá)到平穩(wěn)且無較大波動(dòng)時(shí)，計(jì)算可視為收斂[10]。

5 模型結(jié)果分析

通過FLUENT 軟件的后處理功能，可將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過可視化的云圖、矢量圖等顯示出內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)及變化規(guī)律。

圖3 與圖4 分別為軟板W 與硬板H 的速度矢量圖，從軸向截面?zhèn)扰c換熱面?zhèn)染梢钥闯?，傳熱板表面上沿流質(zhì)運(yùn)動(dòng)的軸向形成多組流道，不同區(qū)域的流速大小與方向各不相同。由于流通截面積不斷變化，凸起處因流動(dòng)空間較大致使流速降低，凹陷自支撐處因流通截面積變小致使流速明顯增加并沿流質(zhì)入口至出口的軸向呈周期性不斷變化。

圖3 軟板W 局部軸向速度矢量圖

圖4 硬板H 局部速度矢量圖

圖5 與圖6 分別為軟板W 與硬板H 的軸向截面壓力云圖，從軸向截面圖中可看出流體的流動(dòng)方向是從左向右的，且壓力以較強(qiáng)的規(guī)律性呈周期性逐漸減小趨勢，在流體進(jìn)入時(shí)壓力呈現(xiàn)出最大值，而流出時(shí)則呈現(xiàn)出最小值。在凸起區(qū)域的壓力變化差異較大，尤其當(dāng)流體流進(jìn)自支撐結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，其壓力梯度變化顯著，原因是由換熱板內(nèi)流通面積逐漸變大又變小所造成的。

圖5 軟板W 軸向截面壓力云圖

圖6 硬板H 軸向截面壓力云圖

圖7 軟板W 軸向截面溫度云圖

圖8 硬板H 軸向截面溫度云圖

圖7 與圖8 分別為軟板W 與硬板H 的軸向截面溫度云圖，從圖中可以看出溫度沿軸線方向是逐漸降低的且分布規(guī)律性較強(qiáng)，在凸起與凹陷處變化顯著。圖9 與圖10 分別為軟板W與硬板H 的徑向截面溫度云圖，從圖中可以看出流質(zhì)在主傳熱區(qū)的流態(tài)為交叉對流換熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流質(zhì)在流道中的縱橫交錯(cuò)傳熱，提高換熱效率。

6 數(shù)據(jù)處理及對比分析

圖9 軟板W 徑向截面溫度云圖

圖10 硬板H 徑向截面溫度云圖

對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到軟板W 與硬板H 在不同流速下的壓力降與膜傳熱系數(shù)性能曲線對比圖。圖11 為軟板與硬板壓降對比變化曲線圖，從圖中可以看出，隨著流速的遞增，兩者的壓降也呈現(xiàn)遞增狀態(tài)。對比相同流速下兩者的壓降變化可以得出硬板始終處于較高的狀態(tài)。圖12 為軟板與硬板的膜傳熱系數(shù)對比曲線圖，從圖中可以得知，兩者的膜傳熱系數(shù)均隨著流速的增加而逐漸增大，且流速越大，彼此之間的差距就越明顯。相同流速下，硬板的膜傳熱系數(shù)大于軟板，但膜傳熱系數(shù)的增大相應(yīng)的會(huì)帶來較大的壓力損失，而壓降大是受到了流通面積的制約。

7 結(jié)論

圖11 軟板與硬板壓降對比變化曲線

圖12 軟板與硬板膜傳熱系數(shù)對比變化曲線

通過FLUENT 軟件的數(shù)值模擬分析，得出人字形板式熱交換器主傳熱區(qū)因流通截面積的不斷變化，致使流態(tài)空間較大的凸起處流速降低，流態(tài)空間較小的自支撐處流速明顯增加，并沿流質(zhì)入口至出口的軸向呈周期性高低交錯(cuò)變化。在流體進(jìn)入時(shí)壓力呈現(xiàn)出最大值，且以較強(qiáng)規(guī)律呈周期性逐漸減小趨勢，原因是由換熱板內(nèi)流通面積大小交錯(cuò)變化所造成的，而當(dāng)流出時(shí)則呈現(xiàn)出最小值。主傳熱區(qū)溫度從流質(zhì)入口到出口處呈逐漸遞減變化趨勢，流質(zhì)在橫縱流道內(nèi)進(jìn)行交叉對流換熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流質(zhì)在流道中的縱橫交錯(cuò)綜合換熱，提高換熱效率。

人字形板式熱交換器硬板與軟板在壓降、膜傳熱系數(shù)與單位壓降傳熱系數(shù)方面的對比分析，得出隨著流速的不斷增大，硬板與軟板的壓降與膜傳熱系數(shù)呈遞增趨勢變化且硬板高于軟板，相同流速下硬板相比軟板，壓降與膜傳熱系數(shù)一直處于較大的狀態(tài)，硬板換熱效率高但流動(dòng)阻力大，軟板流動(dòng)阻力小但換熱效率低。掌握其內(nèi)部流場分布規(guī)律可以為今后的維修奠定一定的理論與技能基礎(chǔ)，同時(shí)為換熱設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化提供新思路和新技術(shù)。