板翅式換熱器芯體氣流分布研究

丁友勝++崔新亭

摘 要：為了研究板翅式換熱器芯體內(nèi)的氣流分布情況，對板翅式換熱器封頭和芯體整體進行建模，并分別采用多孔跳躍模型、多孔區(qū)域模型和多通道多孔區(qū)域模型等三種模型對換熱器芯體進行簡化處理，對比分析了各種模型的優(yōu)劣。結(jié)果表明，多通道多孔區(qū)域模型最符合實際運行情況，并基于此模型計算分析了芯體高度對換熱器氣流分布的影響。

關鍵詞：板翅式 多孔介質(zhì) 氣流分布

中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0025-04

板翅式換熱器因結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、傳熱效率高、溫度控制性好、適應性強等一系列優(yōu)點廣泛應用于諸多工業(yè)領域，并成為空分、LNG等裝置最重要的設備之一。隨著空分、LNG等裝置向大型、特大型方向發(fā)展，其對所用板翅式換熱器的要求也越來越高。而目前國內(nèi)自主設計制造的板翅式換熱器的效率與國外仍有很大的差距。影響其換熱效率的因素主要是流體分布的均勻性、翅片的傳熱特性、相變的影響和物流通道的排列等，而流體分布均勻性一直是研究的重點之一。國內(nèi)外多數(shù)研究認為流體分布不均勻是由于封頭、配管設計不合理[1-5]，在流體還未進入板束體進行換熱時已產(chǎn)生了不均勻分布，并指出封頭結(jié)構(gòu)是導 致流體分布不均的主要因素。

板翅式換熱器結(jié)構(gòu)復雜，由封頭、導流片、翅片、隔板、封條等組成，在數(shù)值模擬中要將其一一體現(xiàn)出來是不現(xiàn)實的，必須進行簡化處理。為此，Patankar和Spalding提出了多孔介質(zhì)模型的方法[6]。陳強[7]將微管道換熱器抽象成多孔介質(zhì)模型。朱冬生[8]采用多孔介質(zhì)模型對板翅式燃氣熱水器換熱器芯體內(nèi)流體的流動與傳熱進行三維數(shù)值模擬。李美玲[9]采用多孔介質(zhì)模型對換熱器芯體進行了簡化處理。熊智強[10]采用直接數(shù)值模擬和多孔介質(zhì)模型兩種方法對管殼式換熱器進行研究。本文分別采用多孔跳躍模型、多孔區(qū)域模型和多通道內(nèi)多孔區(qū)域模型對換熱器芯體進行簡化計算，分析多孔介質(zhì)模型在板翅式換熱器流體分布數(shù)值模擬中的應用的合理性，并分析換熱器芯體高度對氣流分布的影響。

1 物理模型

根據(jù)某板翅式換熱器內(nèi)部實際流動區(qū)域，建立了板翅式換熱器氣流入口封頭及板束體幾何模型。其中封頭尺寸為1000 mm×300 mm×450 mm，進口管直徑110 mm。芯體采用三種處理方式，一是用多孔跳躍模型進行一維簡化；二是用多孔區(qū)域?qū)⑿倔w簡化成長方體；三是簡化為25個通道，每個通道內(nèi)為多孔介質(zhì)模型。為了減少模型進出口對換熱器流場的影響，將出口向外側(cè)延伸50 mm（見圖1、圖2和圖3）。

2 數(shù)學模型

（1）質(zhì)量守恒方程：

（1）

（2）動量守恒方程：

（2）

①對于非多孔介質(zhì)區(qū)域Si=0。

②多孔介質(zhì)的動量方程具有附加的動量源項。動量源項采用冪律公式來確定：

（3）

其中，為多孔區(qū)域的動量源項，Pa/m；為多孔區(qū)域內(nèi)的流速，m/s；C0為擬合公式中流速的系數(shù)；C1為擬合公式中流速的指數(shù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合芯體阻力公式為：，得：C0=5916，C1=1.79。

（3）k-方程：

（4）

（5）

①在非多孔介質(zhì)區(qū)，?。?/p>

Sk=0，S=0

②在多孔介質(zhì)區(qū)，?。?/p>

（6）

（7）

3 邊界條件及求解方法

在換熱器芯體內(nèi)的通道中，氣流主要沿板束方向流動，在通道內(nèi)部，有少許橫向流速分布，對于通道之間來說，由于隔板的原因，橫向流速分布可忽略不計。模型假設氣體不可壓縮，邊界條件設置選擇速度入口、壓力出口，芯體根據(jù)簡化模型選擇多孔跳躍或多孔區(qū)域邊界條件。壁面附近采用標準壁面函數(shù)法，求解模型采用Simple算法的分離求解器，湍流模型采用標準k-ε方程，各項收斂標準均設為0.001。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 計算結(jié)果分析指標

（1）定性指標——流場分布與實際運行情況符合程度，選取模型中心截面流場矢量圖，并與實際運行情況進行對比，由兩者相符程度判斷模型的合理性。

（2）定量指標——氣流分布不均勻度M，可用公式表達為：

（8）

其中，gi為第i個通道流量，ga為總流量。

4.2 三種模型計算結(jié)果的合理性比較

（1）采用多孔跳躍模型簡化換熱器芯體。

圖4、圖5可以看出，氣流進口處的Z向速度大于0的范圍較多，即有嚴重向上回流的現(xiàn)象，這對板翅式換熱器的通道來說，是不可能的。因此，采用這種簡化模型分析流場是不合理的。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因是模型僅計算封頭內(nèi)部的流場，而不考慮換熱器芯體內(nèi)的流場分布。

（2）采用多孔介質(zhì)區(qū)域?qū)⑿倔w簡化為長方體。

圖7看出，換熱器芯體的整個流場內(nèi)，Z向速度為負，沒有出現(xiàn)回流現(xiàn)象，與多孔跳躍模型相比，比較符合實際運行情況。但是圖6顯示，在芯體入口內(nèi)部，流場沿封頭軸線方向，出現(xiàn)了比較嚴重的橫向滲流現(xiàn)象，這種現(xiàn)象仍然與芯體換熱通道的特性不符，故單純的多孔區(qū)域模型仍有較大偏差。

（3）簡化為25個通道模型。

基于以上兩種模型出現(xiàn)的問題，需對第二種模型做進一步的改進，將整個芯體沿封頭軸線方向劃分，簡化為25個通道，每個通道內(nèi)為多孔介質(zhì)模型，通道之間由隔板完全隔開。由圖8可以看出，這種模型基本上消除了芯體入口內(nèi)部橫向滲流現(xiàn)象，符合芯體內(nèi)換熱通道的特性，故運用該模型對換熱器內(nèi)部的流場進行分析時，可以得到比較接近真實的結(jié)果。如果要得到更精確的結(jié)果，可以將模型隔出更多通道，但對電腦的性能要求也更高。

4.3 換熱器芯體高度對流場分布均勻性的影響endprint

根據(jù)第三種計算模型，對于固定的翅片形式，多孔介質(zhì)的特性參數(shù)是一定的，那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質(zhì)量流量的分布與芯體高度的關系圖；圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。

從圖10可以看出，當芯體高度小于2 m時，氣流分配非常不均勻；當芯體高度大于2 m時，氣流分配不均主要發(fā)生在換熱器中心部位，即通道11到通道15之間；當芯體高度大于4 m時，氣流分配總體趨于均勻，中心部位依然有小程度不均，芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結(jié)果可以看出，換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時，氣流分配非常不均勻，此時通過改進封頭結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題；當芯體阻力比較大時，對封頭結(jié)構(gòu)改造的意義就很小了。

5 結(jié)語

該文不局限于僅僅計算封頭內(nèi)部的流場分布，而是對換熱器的整體流場進行研究，因此得出的計算結(jié)果更具有實際意義。

對板翅式換熱器芯體進行簡化時，多通道多孔區(qū)域模型要明顯優(yōu)于多孔跳躍模型和整體多孔區(qū)域模型，更符合實際情況。

換熱器芯體高度對氣流分布影響較大，當高度達到一定值時，改變封頭結(jié)構(gòu)就失去了意義。事實上，國內(nèi)進口板翅式換熱器基本上沒有封頭分布結(jié)構(gòu)。

采用多孔介質(zhì)模型對換熱器芯體進行合理的簡化能夠為開發(fā)高效率板翅式換熱器提供一條有利的途徑。

參考文獻

[1] MUELLER A C，CHIOU J P.Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers [J].Heat Transfer Engineering，1988，9（2）：36-50.

[2] SHAH R K，SEKULIC D P.Fundamentals of Heat Ex—Changer Design[M].New York：John Wiley and Sons，2003：809-853.

[3] 張哲，厲彥忠，焦安軍.板翅式換熱器封頭結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].化工學報，2002，53（11）：1182-1187.

[4] 巫江虹，陳長青，吳業(yè)正.板翅式換熱器兩相流封頭設計及其分配特性[J].低溫工程，1996（5）：10-14.

[5] 焦安軍.換熱器入口物流分配特性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].西安：西安交通大學，2002.

[6] Patankar S V，Spalding D B.Heat Exchanger Design Theory Souse Book[M].New York·McGRAW-Hill Book Company，1974.

[7] 陳強，楊靜宇，董濤，等.微管道換熱器多孔介質(zhì)模型分析及應用[J].機械工程學報，2004，40（4）：108-113.

[8] 朱冬生，毛瑋，藍少健，等.多孔介質(zhì)模型在板翅式換熱器數(shù)值模擬中的應用[J].流體機械，2012，40（4）：63-67.

[9] 李美玲，田寶龍，王宏偉，等.板翅式換熱器封頭型式的改造[J].低溫與特氣，2011，29（4）：16-20.

[10] 熊智強，喻九陽，熊智斌.管殼式換熱器流場數(shù)值模擬方法[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學院學報，2006（3）.endprint

根據(jù)第三種計算模型，對于固定的翅片形式，多孔介質(zhì)的特性參數(shù)是一定的，那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質(zhì)量流量的分布與芯體高度的關系圖；圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。

從圖10可以看出，當芯體高度小于2 m時，氣流分配非常不均勻；當芯體高度大于2 m時，氣流分配不均主要發(fā)生在換熱器中心部位，即通道11到通道15之間；當芯體高度大于4 m時，氣流分配總體趨于均勻，中心部位依然有小程度不均，芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結(jié)果可以看出，換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時，氣流分配非常不均勻，此時通過改進封頭結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題；當芯體阻力比較大時，對封頭結(jié)構(gòu)改造的意義就很小了。

5 結(jié)語

該文不局限于僅僅計算封頭內(nèi)部的流場分布，而是對換熱器的整體流場進行研究，因此得出的計算結(jié)果更具有實際意義。

對板翅式換熱器芯體進行簡化時，多通道多孔區(qū)域模型要明顯優(yōu)于多孔跳躍模型和整體多孔區(qū)域模型，更符合實際情況。

換熱器芯體高度對氣流分布影響較大，當高度達到一定值時，改變封頭結(jié)構(gòu)就失去了意義。事實上，國內(nèi)進口板翅式換熱器基本上沒有封頭分布結(jié)構(gòu)。

采用多孔介質(zhì)模型對換熱器芯體進行合理的簡化能夠為開發(fā)高效率板翅式換熱器提供一條有利的途徑。

參考文獻

[1] MUELLER A C，CHIOU J P.Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers [J].Heat Transfer Engineering，1988，9（2）：36-50.

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[9] 李美玲，田寶龍，王宏偉，等.板翅式換熱器封頭型式的改造[J].低溫與特氣，2011，29（4）：16-20.

[10] 熊智強，喻九陽，熊智斌.管殼式換熱器流場數(shù)值模擬方法[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學院學報，2006（3）.endprint

根據(jù)第三種計算模型，對于固定的翅片形式，多孔介質(zhì)的特性參數(shù)是一定的，那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質(zhì)量流量的分布與芯體高度的關系圖；圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。

從圖10可以看出，當芯體高度小于2 m時，氣流分配非常不均勻；當芯體高度大于2 m時，氣流分配不均主要發(fā)生在換熱器中心部位，即通道11到通道15之間；當芯體高度大于4 m時，氣流分配總體趨于均勻，中心部位依然有小程度不均，芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結(jié)果可以看出，換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時，氣流分配非常不均勻，此時通過改進封頭結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題；當芯體阻力比較大時，對封頭結(jié)構(gòu)改造的意義就很小了。

5 結(jié)語

該文不局限于僅僅計算封頭內(nèi)部的流場分布，而是對換熱器的整體流場進行研究，因此得出的計算結(jié)果更具有實際意義。

對板翅式換熱器芯體進行簡化時，多通道多孔區(qū)域模型要明顯優(yōu)于多孔跳躍模型和整體多孔區(qū)域模型，更符合實際情況。

換熱器芯體高度對氣流分布影響較大，當高度達到一定值時，改變封頭結(jié)構(gòu)就失去了意義。事實上，國內(nèi)進口板翅式換熱器基本上沒有封頭分布結(jié)構(gòu)。

采用多孔介質(zhì)模型對換熱器芯體進行合理的簡化能夠為開發(fā)高效率板翅式換熱器提供一條有利的途徑。

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[9] 李美玲，田寶龍，王宏偉，等.板翅式換熱器封頭型式的改造[J].低溫與特氣，2011，29（4）：16-20.

[10] 熊智強，喻九陽，熊智斌.管殼式換熱器流場數(shù)值模擬方法[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學院學報，2006（3）.endprint