板式換熱器傳熱特性的數(shù)值模擬研究

張玉寶

( 中車齊齊哈爾車輛有限公司，齊齊哈爾 161002 )

板式換熱器傳熱特性的數(shù)值模擬研究

張玉寶

( 中車齊齊哈爾車輛有限公司，齊齊哈爾 161002 )

以工業(yè)廣泛使用的板式換熱器為研究對象，模擬了人字型波紋板片組成的冷熱雙流體通道的流動和換熱，分析了板式換熱器流道內(nèi)的速度場、溫度場和壓力場，研究了波紋板片的幾何參數(shù)對傳熱特性的影響規(guī)律。

板式換熱器；數(shù)值模擬；波紋板

1 引言

能源需求量的持續(xù)增長成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心問題之一，解決辦法是除了改變能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展新能源外，另一個重要方向是提高能源利用效率。

板式換熱器作為一種重要的換熱設(shè)備，它因換熱效果好、結(jié)構(gòu)緊奏、易清洗、占地面積小等優(yōu)點，近幾十年已廣泛應(yīng)用于制冷、化工、石油、航空、火箭與航天等工業(yè)領(lǐng)域中。與其他形式的換熱

器相比，板式換熱器在運行過程中存在流動阻力大、承溫承壓能力低等的缺點[1-3]。因此，提高換熱效果、降低流動阻力、節(jié)能降耗，具有重要的意義。

本文采用數(shù)值模擬的方法，應(yīng)用流體軟件FLUENT對板式換熱器進(jìn)行了流動和換熱性能的模擬，分析了板式換熱器流道內(nèi)的速度場、溫度場和壓力場，研究了波紋板片的幾何參數(shù)對傳熱特性的影響規(guī)律。

2 數(shù)值計算模型與網(wǎng)格劃分

2.1 物理模型

本文對波紋板換熱主流區(qū)域進(jìn)行建模，研究其換熱與阻力特性。圖1為雙流體通道計算模型，冷熱流體單邊逆向流動，上側(cè)流道為冷流體，右端流入，左側(cè)流出；下側(cè)流道為熱流體，左側(cè)流入，右側(cè)流出。

圖1 雙流體通道計算仿真模型

2.2 邊界條件的設(shè)定

進(jìn)出口邊界條件：進(jìn)口采用速度入口邊界條件，熱流體進(jìn)口溫度為360K，冷流體進(jìn)口溫度為300K。冷熱出口采用壓力出口邊界條件，出口靜壓設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)一個大氣壓。

壁面邊界條件：外部邊界為無滑移速度邊界條件，冷熱流道相接觸的面設(shè)定為耦合換熱面，其余各面設(shè)定為絕熱邊界條件。

2.3 網(wǎng)格劃分

由于換熱器中波紋板間流道復(fù)雜多變，板式換熱器結(jié)構(gòu)的三維實體模型采用Patch Independent、sizing四面體網(wǎng)格劃分算法，最小單元尺寸為0.8mm。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

3 數(shù)值計算方法

由于研究的傳熱問題不涉及相變，冷熱流體通道內(nèi)的溫差較小，故作以下幾點假設(shè)：

(1)流體流動為定常流動，流體為不可壓縮的牛頓流體；

(2)重力和由于密度差異引起的浮升力忽略不計；

(3)流體的熱物理性能，被認(rèn)為與溫度和壓力無關(guān)，通道中冷熱流體的流量分配均勻，考慮流體的粘性耗散作用。

采用FLUENT 12數(shù)值求解雙流體通道波紋板式換熱器的對流換熱過程，壓力與速度的耦合采用PISO算法，控制方程中的對流項和擴(kuò)散項的離散均采用二階迎風(fēng)格式，數(shù)值模擬仿真時采用RNGk-ε湍流模型。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 流道內(nèi)的速度場、溫度場和壓力場

圖3為波紋板式換熱器流道內(nèi)截面Y=1.6mm速度云圖。從圖中可以看出流體受到兩側(cè)波紋板的排擠作用，流體在波紋通道內(nèi)主要是沿著流道方向運動。由于波紋板片是反向180°布置，流體在溝槽的折返流動時會改變流動方向，同時也會受到相對于波紋板片流體作用的切向力，這種切向力可以使流體產(chǎn)生漩渦和增大強(qiáng)化傳熱的作用。

圖3 截面Y=1.6mm速度云圖

圖4為波紋板式換熱器通道內(nèi)冷熱流體通道溫度變化云圖，a圖為冷通道溫度變化云圖，b圖為熱通道溫度變化云圖。

圖4 溫度變化云圖

從圖中可以看出當(dāng)流體進(jìn)入波紋板通道時，熱流體區(qū)域沿流動方向(沿X軸正方向)溫度逐漸降低，冷流體沿著流動方向(沿X軸正方向)溫度逐漸升高。由于冷熱流體通過波紋板耦合傳熱，所以熱流體區(qū)域溫度降低的程度要比冷流體區(qū)域溫度升高的程度大一點。熱流體通道的流體溫差變化較大，而冷流體通道內(nèi)的流體溫差變化不大。

圖5為波紋板式換熱器流體通道內(nèi)截面為Y=1.6mm壓力云圖。流體沿X軸正向流動，下面為進(jìn)口，上面為出口。從圖中可以看出壓力梯度的變化分布沿主流方向上呈逐漸降低的變化，在流體入口處壓力梯度變化較大，總體上壓力梯度變化較為均勻。

圖5 截面Y=1.6mm壓力云圖

圖6 努謝爾特數(shù)隨波紋傾角的變化

4.2 波紋傾角對傳熱特性影響

努謝爾特數(shù)[4]表示壁面上對流換熱系數(shù)的無量綱表達(dá)形式之一，它的大小表示了對流換熱的強(qiáng)弱。

在波紋板片其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，模擬計算了波紋傾角β在40°、50°、55°、60°、70°、80°時板式換熱器的傳熱特性和壓降特性。圖6為波紋傾角β和努謝爾特數(shù)Nu的變化關(guān)系。從圖中可以看出β在60°附近時努謝爾特數(shù)最大，傳熱特性最優(yōu)。

4.3 波紋節(jié)高比對傳熱特性影響

在波紋傾角為60°不變的情況下研究不同的波紋節(jié)高比對換熱和壓降的影響規(guī)律。圖7為努謝爾特數(shù)隨波紋節(jié)高比變化情況。

圖7 努謝爾特數(shù)隨波紋節(jié)高比的變化

從圖7中可以看出隨著波紋節(jié)高比的增大，傳熱系數(shù)有明顯的下降趨勢，也就是說波紋法向距離越大，波紋高度越小，其傳熱的效果越差。但當(dāng)波紋節(jié)高比大于6.19時會有所提高，經(jīng)過計算節(jié)高比在6.19時雷諾數(shù)為1085。雷諾數(shù)大于這個值的時候采用大的波紋節(jié)高比的波紋板片時換熱效果比較好，雷諾數(shù)小于這個值的時候選擇波紋節(jié)高比越小的板片傳熱效果越好。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法模擬板式換熱器雙流體通道耦合換熱情況，分析換熱器的速度場、溫度場、壓力場，并分析波紋傾角、波紋節(jié)高比對傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，60°附近的波紋傾角傳熱系數(shù)最大，換熱效果最好；波紋節(jié)高比對傳熱系數(shù)的影響規(guī)律是先減小后增大，節(jié)高比為6.19是一個轉(zhuǎn)折點。

[1] 吳晶，夏夢，葉莉，等.板式換熱器強(qiáng)化傳熱數(shù)值研究及熱阻分析[J].工程熱物理學(xué)報，2012，11(33)：1963-1966

[2] 張仲彬，董鵬飛，王月明，等.板式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化三維數(shù)值分析[J].化工機(jī)械，2013，40(2)：206-210

[3] 邵擁軍，逯凱霄，張文林.板式換熱器的特點與優(yōu)化設(shè)計[J].廣州化工，2012，40(6)：120-122

[4] A G Kanaris，A A Mouza，S V Paras.Optimal design of a plate heat exchanger with undulated surfaces.International Journal of Thermal Sciences.2009，48:1184-1195

Numerical Simulation Study on Heat Transfer Characteristics of Plate Heat Exchanger

ZHANG Yubao

( CRRC Qiqihar Rolling Stock Co.Ltd，Qiqihaer Heilongjiang 161002,China )

Plate heat exchanger widely used in industrial is used as the research object to simulate flow of fluid channel and heat transfer of hot and cold dual-channel consisted of the herringbone corrugated plates, analyze the velocity field, temperature field and pressure field of plate heat exchanger′s flow passage and study the influence law of the corrugated board sheet′s geometric parameters on heat transfer characteristics.

Plate Heat Exchanger；Numerical Simulation；Corrugated Board

2016-9-5

張玉寶(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計與制造、低溫與制冷等領(lǐng)域。Email：zhangyubaohappy@163.com

ISSN1005-9180(2017)02-074-04

TQ021.3 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.016