雙V型波紋板式換熱器的數(shù)值研究

周乃香，冷學(xué)禮，王樹(shù)軍

（1.山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東濟(jì)南　250013；2.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061；3.新泰市新城熱力有限公司，山東泰安　271000）

雙V型波紋板式換熱器的數(shù)值研究

周乃香1，2，冷學(xué)禮2，王樹(shù)軍3

（1.山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東濟(jì)南250013；2.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061；3.新泰市新城熱力有限公司，山東泰安271000）

利用三維模擬研究了雙V型波紋板式換熱器內(nèi)部的換熱阻力特性、換熱面的溫度分布，以及波紋通道內(nèi)流動(dòng)形態(tài)。結(jié)果表明，傳熱系數(shù)K、進(jìn)出口壓降隨著Re的增大而增大，數(shù)值模擬結(jié)果可以較好吻合試驗(yàn)趨勢(shì)。相比RNG k-e，SST k-w湍流模型所得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好。波紋板片均流區(qū)的壓降占整個(gè)通道壓降損失的10%～20%，合理設(shè)計(jì)此部分區(qū)域可以提高整個(gè)板式換熱器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在上下壁面接觸點(diǎn)附近存在復(fù)雜的二次流，此部分區(qū)域的漩渦會(huì)減弱流動(dòng)及換熱邊界層，強(qiáng)化換熱。由于漩渦流向與槽道走向并不一致，漩渦的存在同時(shí)會(huì)加大壓降損失。同時(shí)，雙V型波紋板片較好地削弱了流體分配不均勻的現(xiàn)象。

板式換熱器；數(shù)值模擬；換熱；壓降

0　引言

板式換熱器作為一種高效、緊湊的換熱器，具有傳熱效果好、靈活適應(yīng)生產(chǎn)中熱負(fù)荷變化、清洗拆卸方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在食品加工、石油化工、余熱回收等領(lǐng)域廣泛使用［1］。近些年，供熱管網(wǎng)多采用“三環(huán)制”方案，其主要實(shí)現(xiàn)方法為:通過(guò)換熱器將一、二級(jí)管網(wǎng)分隔開(kāi)來(lái)，將各供熱站加熱器二次側(cè)與用熱用戶的循環(huán)構(gòu)成第三環(huán)?！叭h(huán)制”方案可以大幅增強(qiáng)熱網(wǎng)管理的靈活性及運(yùn)行的可靠性。當(dāng)前，板式換熱器已成為集中供熱間接式換熱機(jī)組的核心部件。

對(duì)于板式換熱器的研究，主要采用試驗(yàn)測(cè)定與數(shù)值模擬的方法。Focke等［2］利用有限擴(kuò)散電流技術(shù)，分析了波紋角度對(duì)換熱和阻力特性的影響，得到了人字形換熱器內(nèi)部的兩種基本流型:十字交叉流與曲折流。Takahiro等［3］的試驗(yàn)結(jié)果表明，流道內(nèi)的漩渦流動(dòng)提高了板式換熱器的換熱系數(shù)，但同時(shí)也加大了壓降損失。周明連［4］通過(guò)流型觀測(cè)指出板式換熱器內(nèi)的偏流現(xiàn)象降低了換熱器的傳熱性能。趙鎮(zhèn)南［5］的試驗(yàn)結(jié)果表明，人字形波紋傾角是影響板式換熱器性能的重要幾何參數(shù)，其通過(guò)改變流動(dòng)形態(tài)來(lái)影響換熱器的傳熱阻力性能。Aydin等［6］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)三種不同類型的板式換熱器進(jìn)行了研究，得出由于高換熱系數(shù)伴隨著高壓降，在選擇板式換熱器時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素的結(jié)論。

試驗(yàn)測(cè)定由于測(cè)點(diǎn)限制無(wú)法獲得板式換熱器內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)，為更進(jìn)一步地研究板式換熱器內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)，很多學(xué)者采用了數(shù)值模擬方法。Wang等［7］利用數(shù)值模擬的方法研究了周期性波紋通道，指出二次漩渦的存在增強(qiáng)了流體的換熱系數(shù)；Metwally等［8］對(duì)通過(guò)正弦波紋通道的層流區(qū)流體進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明波紋通道產(chǎn)生了橫向漩渦，減薄了流體邊界層，增強(qiáng)換熱效果；張井志等［9］對(duì)板式換熱器單流道模型進(jìn)行了研究，指出合理選擇觸點(diǎn)分布可進(jìn)一步強(qiáng)化其換熱效果；趙元東等［10］分析了熱混合板式換熱器內(nèi)換熱阻力特性，結(jié)果表明換熱系數(shù)隨著入口流速的增大而增大，場(chǎng)協(xié)同性降低；喬曉剛等［11］對(duì)影響人字形波紋板式換熱器的三個(gè)重要因素進(jìn)行了數(shù)值研究，指出最優(yōu)波紋傾角在60°左右；夏翔鳴等［12］對(duì)人字波紋換熱器進(jìn)行數(shù)值分析，指出流場(chǎng)中的縱向渦減薄了邊界層，提高了流體的協(xié)同性。

現(xiàn)階段，對(duì)于板式換熱器的數(shù)值研究，主要是針對(duì)換熱區(qū)，幾何模型多為單通道，對(duì)于全場(chǎng)的數(shù)值模擬以及冷熱流體耦合的分析還不足。文中主要對(duì)一種雙V型波紋板式換熱器建立三維全場(chǎng)模型，分析其壓降、換熱及流動(dòng)特性，旨在提供一個(gè)更為詳盡的板式換熱器全場(chǎng)流動(dòng)分析，增強(qiáng)對(duì)板式換熱器內(nèi)部流動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

1　物理模型及數(shù)學(xué)描述

利用ProE三維建模軟件建立板式換熱器全板模型，如圖1所示。

圖1　計(jì)算模型

其中圖1（a）為單一板片模型，圖1（b）為人字形板式換熱器雙流道模型。雙流道模型主要采用3塊板片疊加構(gòu)成，其中上下板片設(shè)定為絕熱邊界條件，中間板片設(shè)定為耦合換熱邊界條件，以考慮冷熱流體間的對(duì)流換熱情況。本文模擬過(guò)程中，并未考慮壁面厚度，對(duì)于壁面采用薄壁模型。采用四面體網(wǎng)格，在ICEM中完成計(jì)算域網(wǎng)格劃分，并對(duì)換熱區(qū)進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量大約為400萬(wàn)。冷熱流體逆向流動(dòng)，入口采用速度入口邊界條件，出口均采用壓力出口邊界條件。

計(jì)算域的控制方程如下。

質(zhì)量連續(xù)方程:

動(dòng)量守恒方程:

能量方程:

由于波紋通道內(nèi)存在邊界層的脫離，流動(dòng)形態(tài)更為復(fù)雜，板式換熱器在較小的入口流速下即可達(dá)到湍流流態(tài)。而常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)k-e雙方程模型對(duì)于板式換熱器的模擬，難以達(dá)到其精度要求。文中主要采用SST k-w與RNG k-e湍流模型考慮板式換熱器內(nèi)部的湍流模擬，兩種模型均對(duì)有旋流的湍流運(yùn)動(dòng)具有較好的預(yù)測(cè)性與精度。

2　計(jì)算結(jié)果與討論

2.1換熱特性

圖2示出文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)傳熱系數(shù)K與文中模擬結(jié)果隨Re的變化情況。可以看出，傳熱系數(shù)K隨著Re增大而增大，基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。Re的增大提高了通道內(nèi)部的湍流度，增強(qiáng)了邊界層的脫離，強(qiáng)化傳熱效果。數(shù)值模擬結(jié)果可以較好吻合文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)，但其值低于試驗(yàn)結(jié)果。相對(duì)試驗(yàn)研究，數(shù)值模擬更趨于理想化，如入口假設(shè)為充分發(fā)展，上下板片設(shè)定為絕熱邊界。相對(duì)RNG k-e模型，SST k-w湍流模型更接近模擬結(jié)果，數(shù)值誤差大約在20%以內(nèi)。

圖2　傳熱系數(shù)隨Re的變化規(guī)律（模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比）

2.2壓降特性

圖3示出文獻(xiàn)［13］中試驗(yàn)冷、熱側(cè)流體壓降與本文模擬結(jié)果隨Re的變化情況。與傳熱系數(shù)K的規(guī)律類似（見(jiàn)圖2），壓降隨著Re增大而增大；不同之處在于壓降隨Re增大的上升趨勢(shì)同時(shí)隨著Re的增大而增大。通過(guò)提高入口流速來(lái)提高板式換熱器的換熱性能，在高Re下會(huì)遇到壓降損失過(guò)大的問(wèn)題。相對(duì)提高進(jìn)口Re，提高波紋板片的數(shù)目（增大換熱面積），其經(jīng)濟(jì)性能更為優(yōu)越。

Re的增大提高了湍流度以及流道內(nèi)的漩渦強(qiáng)度，由于漩渦流動(dòng)方向與主流方法并不一致，會(huì)導(dǎo)致壓降損失的提高。從圖3可以看出，對(duì)于兩種湍流模型，其模擬得到的壓降損失基本一致，但在高Re時(shí)、同時(shí)都高于試驗(yàn)值，誤差大約在30%以內(nèi)。板式換熱器全場(chǎng)模擬的難點(diǎn)在于網(wǎng)格劃分，尤其是針對(duì)復(fù)雜波紋表面的劃分情況，過(guò)低的網(wǎng)格密度難以捕捉板片的具體細(xì)節(jié)，而過(guò)高的網(wǎng)格分布則對(duì)計(jì)算資源要求很大。

對(duì)于換熱與壓降模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差，可以看出，相對(duì)RNG k-e模型，SST k-w湍流模型可以更為精確的吻合試驗(yàn)結(jié)果。在類似的板式換熱器流動(dòng)換熱模擬中，推薦利用SST k-w模型考慮波紋通道內(nèi)的湍流流動(dòng)。

圖3　進(jìn)出口壓降隨Re的變化規(guī)律

2.3耦合面的溫度分布

圖4示出波紋板片耦合換熱面的溫度分布。可以看出，沿著熱水側(cè)進(jìn)口至出口方向，溫度逐漸降低。熱水由左側(cè)進(jìn)入，右側(cè)流出；冷水由右側(cè)進(jìn)入，左側(cè)流出，耦合面上的溫度分布與上述逆流流動(dòng)形式相符。高溫區(qū)主要分布在左側(cè)，低溫區(qū)在右側(cè)。對(duì)于正弦波紋板片，其波峰位置所對(duì)應(yīng)的板片溫度要高于波谷位置。而對(duì)于整個(gè)傳熱過(guò)程，在靠近上下壁面接觸點(diǎn)位置，由于流體的擾動(dòng)最劇烈，換熱系數(shù)最好，對(duì)應(yīng)于圖中溫度分布片狀區(qū)域。在本文模擬中并未有明顯的溫度分配不均勻的現(xiàn)象，這表明此種雙V型人字形波紋板片較好地削弱了流體分配不均勻的現(xiàn)象。

圖4　耦合面的溫度分布

2.4冷水側(cè)的壓力分布

圖5示出冷水側(cè)的壓力分布。可以看出，壓力在均流區(qū)有較大的變化，而在主換熱區(qū)域，流體壓力基本沿著流動(dòng)方向均勻降低。對(duì)于雙V型板式換熱器，在同一波紋板片褶皺上壓力相等。同時(shí)從圖5中可以看出，對(duì)于板式換熱器，其均流區(qū)壓降損失大概可以占整個(gè)流道壓降損失的10%～20%，合理設(shè)計(jì)均流區(qū)的形狀，可以有效地降低整場(chǎng)壓力損失，強(qiáng)化波紋板片的綜合性能，進(jìn)而提高其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率。

圖5　冷水側(cè)的壓力分布

2.5波紋通道內(nèi)的流動(dòng)跡線及速度矢量

圖6示出冷水側(cè)的流體通道內(nèi)的流動(dòng)跡線?？梢钥闯?，交錯(cuò)的波紋板片組成的流道內(nèi)存在復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài)，流線開(kāi)始于入口處，流經(jīng)導(dǎo)流區(qū)，進(jìn)入主換熱區(qū)，最后流出換熱通道。文中模擬冷熱側(cè)板片采用單邊流布置，流體更傾向于從流動(dòng)阻力較小的區(qū)域流動(dòng)，即冷水側(cè)進(jìn)、出口連線方向；而對(duì)于耦合面的上半部分，由于流體流程較長(zhǎng)，阻力相對(duì)較大，流體分布較少。整個(gè)流動(dòng)形態(tài)呈現(xiàn)“曲折流”，在接觸點(diǎn)附近，流體流道上下壁面之間的區(qū)域產(chǎn)生復(fù)雜的三維漩渦流動(dòng)。此部分區(qū)域的漩渦，一方面減弱了流動(dòng)邊界層以及熱邊界層；另一方面可以加強(qiáng)流道中心區(qū)域的流體與近壁面附近的流體的混合，強(qiáng)化換熱。漩渦的方向與流道方向不一致，屬于復(fù)雜的二次流，此類漩渦同時(shí)也增大了壓強(qiáng)損失。

圖6　冷水側(cè)的流體通道內(nèi)的流動(dòng)跡線以及局部放大圖

圖7示出流體通道的截面速度矢量分布?？梢钥闯觯诓y通道內(nèi)，上下流道內(nèi)存在方向相反的漩渦流動(dòng)。在通道內(nèi)，流體一方面沿著波紋槽道從入口向出口流動(dòng)；另一方面在上下壁面觸點(diǎn)附近，核心區(qū)域與近壁區(qū)域進(jìn)行摻混，提高了換熱性能。

圖7　XZ截面速度矢量分布

3　結(jié)論

文中采用RNG k-e與SST k-w湍流模型，研究了一種雙V型板式換熱器內(nèi)部的流動(dòng)換熱情況，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論。

（1）傳熱系數(shù)與進(jìn)出口壓降隨著入口Re的增大而增大，其中壓降隨著Re的增大趨勢(shì)在高Re下逐步增大。相比RNG k-e，SST k-w湍流模型所得的模擬結(jié)果與試驗(yàn)值吻合更好，在類似的板式換熱器模擬中推薦采用SST k-w湍流模型來(lái)考慮波紋通道內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)。

（2）正弦波紋板片，其波峰位置所對(duì)應(yīng)的板片溫度要高于波谷位置，雙V型波紋板片可以較好地削弱流體分配不均勻的現(xiàn)象。

（3）波紋板片均流區(qū)的壓降占整個(gè)通道壓降損失的10%～20%，合理設(shè)計(jì)此部分區(qū)域可以提高整個(gè)板式換熱器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

（4）在上下壁面接觸點(diǎn)附近存在復(fù)雜的二次流，此部分區(qū)域的漩渦會(huì)減弱流動(dòng)及換熱邊界層，強(qiáng)化換熱。由于漩渦流向與槽道走向并不一致，漩渦的存在同時(shí)會(huì)加大壓降損失。

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Numerical Simulation of a Double V Pattern Corrugation Plate Heat Exchanger

ZHOU Nai-xiang1，2，LENG Xue-li2，WANG Shu-jun3
（1.Shandong Urban and Rural Planning and Design Institute，Jinan 250013，China；2.School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；3.Xintai New City Heating Power Co.，Ltd.，Tai'an 271000，China）

Heat transfer characteristics，pressure drops，temperature distributions at the heat transfer plate，and flow patterns in the corrugation passage of a double V type commercial plate heat exchangerwere investigated numerically.The results indicate that the heat transfer coefficients K and pressure drops increase with increasing Re.The numerical data fit well with the experimental results.Compared with the RNG k-e turbulencemodel，the numerical results obtained with the SST k-w model show better agreementwith the experimental results.The pressure drop in flow equalization region is about10%～20%of the total pressure drop，which indicates thata reasonable design of this region will improve the overall performance of plate heatexchangers.A complex second-order flow is observed near the contact points.These vortexes will thin the flow boundary layer，thus enhance the heat transfer process.It should be noted that the direction of these vortexes is different from that of corrugation passage，and the vortexwill increase thepressure drops too.This double V type commercial plate heat exchanger can weaken the flow misdistribution in the corrugation passages.

plate heat exchangers；numerical study；heat transfer；pressure drop

TH49；TQ050.2；TQ051.5

A

1001-4837（2015）11-0027-06

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.005

2015-06-15

2015-08-17

周乃香（1987-），女，工程師，主要研究方向?yàn)閺?qiáng)化換熱與節(jié)能技術(shù)，通信地址:250013山東省濟(jì)南市解放路9號(hào)山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，E-mail:zjzsdu@ 163.com。

山東省科技發(fā)展計(jì)劃（2012GGX10421）