翅片板式傳熱器雙流道傳熱與流動(dòng)數(shù)值模擬

徐曉冉 ，張鎖龍，3，王存明

（1 常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016；2 常州市過程裝備工程技術(shù)中心，江蘇 常州 213016；3信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，江蘇 無錫 214071）

常用的傳熱器有很多類型，板翅式傳熱器是目前國內(nèi)最先進(jìn)的傳熱設(shè)備之一，因具有傳熱效率高、體積小、堅(jiān)固耐用、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于石油、化工、動(dòng)力、輕工、機(jī)械、冶金、制藥等工程領(lǐng)域[1]，并在利用熱能、回收余熱、節(jié)約能源[2]等方面取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。翅片是板翅式傳熱器中最基本的元件，其主要形式有：平直翅片、波紋翅片、鋸齒翅片、百葉窗翅片等。國內(nèi)外許多學(xué)者對翅片表面的傳熱性能做了大量的研究，Shah等[3]對平直翅片表面的傳熱、壓降和流動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)。Kim[4]在自行搭建的試驗(yàn)裝置上對板翅式傳熱器中的多孔形翅片表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Joshi和Webb[5]對鋸齒翅片的表面特性進(jìn)行了研究。國內(nèi)方面，祝銀海、焦安軍、李媛等[6-9]從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究兩方面進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了鋸齒形翅片的傳熱性能優(yōu)越于平直形翅片，并提供了一些改進(jìn)方法。目前板翅式傳熱器的翅片與隔板通過釬焊方式連接，整體進(jìn)行釬焊，一旦中間某一部分出現(xiàn)任何問題，整臺傳熱器就無法使用，造成資源浪費(fèi)。

本文作者將對自行設(shè)計(jì)的翅片板式傳熱器運(yùn)用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，使用Fluent 軟件對不同結(jié)構(gòu)尺寸下雙流道翅片板束的傳熱和流動(dòng)情況進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同翅片高度和不同翅片間距下的對流傳熱性能規(guī)律。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本研究自行設(shè)計(jì)的翅片板式傳熱器是在隔板上滾焊平直翅片，用普通的縫焊方法代替昂貴的釬焊制造，大大降低了加工費(fèi)用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。因翅片長度為板片長度一半，故板片兩端為平板區(qū)域。冷流體從一端流入，另一端流出；熱流體由垂直于翅片的方向進(jìn)入平板區(qū)域，經(jīng)過平直翅片從另一端的平板區(qū)域流出，如此，兩流體在板片兩端的平板區(qū)域呈錯(cuò)流流動(dòng)，在中間翅片區(qū)域?yàn)槟媪鞑僮?。冷熱流通過板片及翅片完成傳熱過程，其中，主要傳熱過程由板片完成，翅片起到增加傳熱面積，強(qiáng)化傳熱作用。

翅片板式傳熱器板束的結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)如圖2所示。由于傳熱器微通道的尺寸都在毫米數(shù)量級，而長度在米的數(shù)量級上，因此要用CFD 軟件模擬整個(gè)傳熱器的流動(dòng)和傳熱是不現(xiàn)實(shí)的。由于本研究主要分析翅片結(jié)構(gòu)尺寸對傳熱性能的影響和根據(jù)流動(dòng)與傳熱的對稱性，故忽略兩平板區(qū)域傳熱效果，在傳熱器板束截面上取圖2 虛線框中的區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?。整個(gè)模型使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，采用Map 方法，網(wǎng)格數(shù)為20萬～30萬，網(wǎng)格劃分示意如圖3。

圖1 翅片板式傳熱器板束裝配圖

圖2 板束結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

圖3 板束網(wǎng)格劃分

2 邊界條件和求解模型

2.1 邊界條件

根據(jù)模型的要求，邊界條件設(shè)定為：冷熱流體采用速度進(jìn)口；冷熱流體的出口均采用壓力出口邊界；模型左右6個(gè)面采用周期邊界，上下壁面給定初始溫度；流體工質(zhì)、翅片和隔板的兩兩相交面采用壁面邊界的耦合類型；其它壁面采用Fluent 默認(rèn)的Wall，并做絕熱處理。

2.2 求解模型

求解模型的設(shè)置為：湍流模型選用工程上采用的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型；求解器采用基于壓力求解器及分離式求解器；控制方程的線化形式采用隱式格式。壓力速度的耦合算法采用SIMPLE 算法；為改善求解精度，能量方程采用二階精度離散格式；能量的收斂可信殘差值為1×10?6，其余都為1×10?3。所有模擬均滿足殘差準(zhǔn)則。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 翅片高度對傳熱性能的影響規(guī)律

翅片高度對翅片板式傳熱器的傳熱性能有著重要的影響。翅片高度直接影響到傳熱系數(shù)和流體阻力的變化，合適的高度能夠在不引起過大壓力降的情況下提高板片式傳熱器的傳熱效率，進(jìn)而使裝置保持在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，降低運(yùn)行費(fèi)用，因此研究翅片高度對傳熱器傳熱性能和流動(dòng)阻力的影響具有十分重要的意義。為了探究它們之間的規(guī)律，設(shè)定翅片高度H為10 mm、15 mm和19.5 mm 三種情況，按照前述的求解模型進(jìn)行數(shù)值模擬。這里分析翅片高度H為19.5 mm時(shí)的傳熱性能，實(shí)為分析H為20 mm時(shí)的情況，因?yàn)楫?dāng)H為20 mm時(shí)與板間距相等，模擬時(shí)就簡化為中間翅片與兩隔板都焊接為一體，與實(shí)際情況不符。

圖4為在冷流體入口速度和溫度保持不變的情況下，對應(yīng)3 種不同翅片高度H熱側(cè)傳熱性能隨熱側(cè)流體入口速度的變化趨勢，圖4(a)為熱側(cè)傳熱系數(shù)隨熱側(cè)入口速度變化的趨勢圖形，圖4(b)為熱側(cè)進(jìn)出口壓降與熱側(cè)入口速度變化的關(guān)系圖。從圖4(a)、(b)兩圖可以看出，在一定的翅片高度下，熱側(cè)的傳熱系數(shù)隨著熱側(cè)流體的入口速度增大而增大，同時(shí)壓力降也隨之增大。這主要是因?yàn)闊醾?cè)流體的速度越大，雷諾數(shù)也隨之增大，流體到達(dá)湍流狀態(tài)，不斷削減壁面邊界層厚度，加快流體與固體壁面的傳熱，進(jìn)而增加了與冷流體的熱量交換，傳熱效率得到提高。隨之入口速度的增大，高度為10 mm和15 mm的翅片的熱側(cè)傳熱系數(shù)增長率大于高度為19.5 mm的翅片。當(dāng)速度V＞10 m/s時(shí)，高度為19.5 mm和15 mm 兩種翅片的傳熱系數(shù)越來越靠近，但是熱側(cè)壓降卻大于其它兩者，說明板間距為20 mm時(shí)，翅片高度為15 mm時(shí)傳熱效果最佳。

圖5和圖6 分別為不同翅片高度下冷側(cè)傳熱系數(shù)和傳熱器的總傳熱系數(shù)與熱側(cè)流體入口速度的關(guān)系圖。由圖5 可知，當(dāng)翅片高度一定時(shí)，雖然熱側(cè)入口介質(zhì)速度一直增大，但是冷側(cè)傳熱系數(shù)呈平穩(wěn)的趨勢，可以看出冷側(cè)傳熱效果與熱側(cè)入口速度關(guān)系不大；不過隨著翅片高度的增加，冷側(cè)傳熱系數(shù)也是增大的。翅片高度增加相同的數(shù)值，冷側(cè)傳熱系數(shù)大小卻非呈線性增長。由圖6 可以看出，3 種翅片高度下的總傳熱系數(shù)變化規(guī)律與熱側(cè)傳熱系數(shù)相同。

圖4 不同高度下熱側(cè)傳熱系數(shù)和壓降與熱側(cè)入口速度關(guān)系

圖5 不同高度下冷側(cè)傳熱系數(shù)與熱側(cè)入口速度關(guān)系

圖6 不同高度下總傳熱系數(shù)與熱側(cè)入口速度關(guān)系

3.2 翅片間距對傳熱性能的影響規(guī)律

翅片間距也是影響板翅式傳熱器傳熱性能和流動(dòng)阻力的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)因素。為了探究它們之間的規(guī)律，設(shè)定翅片間距S=6 mm、10 mm和14 mm三種情況，按照前述的求解模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖7(a)為在冷流體入口速度和溫度保持不變的情況下，對應(yīng)3 種不同翅片間距S熱側(cè)傳熱系數(shù)隨熱側(cè)流體入口速度的變化趨勢。由圖可以看出，熱側(cè)傳熱系數(shù)隨入口速度增大呈線性增長。當(dāng)熱側(cè)入口速度一定時(shí)，翅片間距越小，熱側(cè)的傳熱系數(shù)越大。因?yàn)槌崞g距越小，流體在入口被分成多股流入板束內(nèi)，一定程度上增大了湍流程度，加快相鄰冷熱兩流體傳熱速度，提高了傳熱效率。

圖7(b)為3 種翅片間距下熱側(cè)壓降與熱側(cè)入口速度關(guān)系。由圖可以看出S=6 mm時(shí)熱側(cè)壓力降最大，S=14 mm時(shí)最小，S=10 mm時(shí)居中。翅片間距越小，入口橫截面積越小，給予相同的入口流速相當(dāng)于提高了單位橫截面積下的流體速度，壓力降隨之增大。

圖7 不同間距下熱側(cè)傳熱系數(shù)和壓降與熱側(cè)入口速度關(guān)系

圖8 不同間距下冷側(cè)傳熱系數(shù)與熱側(cè)入口速度關(guān)系

圖9 不同間距下總傳熱系數(shù)與熱側(cè)入口速度關(guān)系

圖8和圖9 分別為不同翅片間距下冷側(cè)傳熱系數(shù)和傳熱器的總傳熱系數(shù)與熱側(cè)流體入口速度的關(guān)系。由圖8 可以看出，冷側(cè)傳熱系數(shù)基本不隨熱側(cè)入口速度變化而發(fā)生改變，熱側(cè)性能參數(shù)的改變只影響熱側(cè)的傳熱效果；熱流體入口速度不變時(shí)，熱側(cè)入口速度一定時(shí)，但是從總體來說傳熱器的總傳熱系數(shù)是隨著熱流體的入口速度增大而增大的，這與翅片高度表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

4 模擬結(jié)果驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

為了對翅片板式傳熱器的傳熱性能與阻力特性做實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，搭建試驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括5個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)元件、冷空氣直流系統(tǒng)、熱空氣直流系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)測定系統(tǒng)及保溫系統(tǒng)。

（1）實(shí)驗(yàn)元件 本實(shí)驗(yàn)的測試對象是翅片板式傳熱器板束，取4 片焊接好翅片的板片按照冷熱通道不同的組合方式用氣動(dòng)縫焊機(jī)焊接在一起，形成兩個(gè)熱通道和一個(gè)冷通道。板片尺寸為0.8 mm×340 mm×1220 mm，冷熱兩側(cè)板片間距均為20 mm，翅片厚度為0.4 mm，翅片長度為610 mm，翅片間距為10 mm。

（2）冷空氣直流系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)所需的冷空氣由離心式鼓風(fēng)機(jī)出來，經(jīng)風(fēng)閥和封頭進(jìn)入板束內(nèi)與熱空氣進(jìn)行傳熱，喇叭口通過氬弧焊的方式與板束進(jìn)行連接，風(fēng)速的大小由風(fēng)閥開度大小所控制。

（3）熱空氣直流系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的封頭內(nèi)制作一個(gè)風(fēng)道電阻絲加熱裝置，選用3 根3 kW 電阻絲采用星接方式連接在380 V 工業(yè)電源上，將離心式鼓風(fēng)機(jī)出來的冷空氣加熱到需要的溫度。

（4）實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測量系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)分為溫度測量、流量測量及壓差測量系統(tǒng)。

①溫度測量系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)的溫度測量采用數(shù)字點(diǎn)溫儀，其測試范圍為-50～750℃。冷流體進(jìn)出口、熱流體入口各放置2個(gè)點(diǎn)溫儀，冷流體出口放置4個(gè)，通過多點(diǎn)測量求平均值的方法記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

②流量測量系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)的流量采用AR826數(shù)字式風(fēng)速儀來測量冷熱流體的進(jìn)口流速，其流速測量范圍為0.3～45 m/s，且具有顯示屏可直接讀取風(fēng)速示數(shù)，簡單方便。將該風(fēng)速儀的風(fēng)輪放于測量孔內(nèi)，多次測量求平均值以減少實(shí)驗(yàn)誤差。

③壓差測量系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)中的壓差測量系統(tǒng)是用U 形壓差計(jì)測量。在板束的冷熱流體進(jìn)口位置處，分別連接U 形壓差計(jì)兩側(cè)，通過壓差讀數(shù)反映板束進(jìn)出口的壓降。

（5）保溫系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)中，為了保證熱量盡可能多地用于冷熱流體與板束的對流傳熱，減小實(shí)驗(yàn)過程的熱量損失，特在上下板片上加設(shè)材料為硅酸鋁纖維的保溫層。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

固定冷熱入口速度不變，改變熱側(cè)入口速度大小和溫度，計(jì)算該傳熱器板束的傳熱系數(shù)，然后按照相同的操作參數(shù)進(jìn)行模擬對比總傳熱系數(shù)，結(jié)果如表1所示。由表1 可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)值誤差在可接受范圍內(nèi)，此模型可以用于計(jì)算自行設(shè)計(jì)的翅片板式傳熱器的數(shù)值模擬。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 總傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值和模擬值的比較

4.3 誤差分析

由表1 可知，實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間存在一定的誤差，且模擬值比實(shí)驗(yàn)值偏大，本文作者認(rèn)為產(chǎn)生誤差的主要原因有以下方面。

（1）流體分布誤差 在實(shí)驗(yàn)的過程中，由鼓風(fēng)機(jī)將冷、熱流體經(jīng)風(fēng)閥和封頭輸入翅片板束中，從而進(jìn)行熱交換。但是冷、熱流體在板束冷、熱通道的進(jìn)口處分布并不均勻，進(jìn)而對板束內(nèi)熱交換產(chǎn)生影響。通過實(shí)驗(yàn)觀察，一是由于設(shè)計(jì)喇叭口時(shí)，其自身開口角度，會產(chǎn)生氣體偏向一側(cè)的現(xiàn)象；另一原因便是風(fēng)閥的設(shè)計(jì)上較為簡易，調(diào)節(jié)大小后風(fēng)閥內(nèi)調(diào)節(jié)片會對氣體產(chǎn)生阻擋作用于，氣體分流向一側(cè)偏移。

（2）測量誤差 在實(shí)驗(yàn)過程中，利用測量儀對流體流速、溫度及壓降的測量存在著人為的誤差，通過多點(diǎn)測量的方法雖然能夠有效地避免一點(diǎn)不必要的誤差，但是仍然會存在不準(zhǔn)確的可能性。

（3）模擬誤差 在實(shí)際的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)過程中都做了一些必要的假設(shè)條件來簡化模型，是為了研究提供便利。但是簡化后便會與實(shí)際情況產(chǎn)生差距，進(jìn)而帶來誤差。如數(shù)值模擬中假定翅片與板片的焊接完全緊密接觸，而實(shí)際焊接中因人為原因不可能做到理想狀態(tài)，從而產(chǎn)生誤差。

（4）試驗(yàn)系統(tǒng)誤差 在此實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)和搭建中，由于基本依靠個(gè)人動(dòng)手制作，所以在實(shí)驗(yàn)過程中，整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與均勻性不能很好地控制到理想狀態(tài)。同時(shí)，雖然在傳熱板束上鋪設(shè)保溫層盡量減小系統(tǒng)的漏熱損失，但是系統(tǒng)還是會有熱量損失，從而產(chǎn)生誤差。

5 結(jié)論

通過對不同高度和不同間距的翅片進(jìn)行計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論。

（1）固定冷側(cè)入口的速度和溫度，熱側(cè)的傳熱系數(shù)與壓降隨著熱側(cè)入口速度的增加而不斷增大。

（2）當(dāng)板間距為20 mm時(shí)，翅片高度越大傳熱效果不一定越好，翅片高度為15 mm時(shí)傳熱性能為最佳。

（3）當(dāng)板間距為20 mm時(shí)，翅片間距越小，傳熱性能越好，所以采用間距較小的翅片可以提高傳熱效果。

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