板式換熱器單相換熱和壓降數(shù)值模擬

姜未汀, 黃永帥, 韓維哲, 史文斯

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

板式換熱器單相換熱和壓降數(shù)值模擬

姜未汀, 黃永帥, 韓維哲, 史文斯

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

建立了板式換熱器水側(cè)單流道CFD仿真計(jì)算模型,并通過與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的對(duì)比驗(yàn)證了該模型的精確性.基于數(shù)值模擬結(jié)果,擬合得到板式換熱器水側(cè)換熱系數(shù)和摩擦因子計(jì)算關(guān)聯(lián)式,為板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

板式換熱器; 單相; 換熱; 壓降; 數(shù)值模擬

隨著板式換熱器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展,國內(nèi)外對(duì)板式換熱器的研究也趨于多樣化.一直以來,國內(nèi)外對(duì)板式換熱器水側(cè)換熱的研究主要建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,多是通過搭建板式換熱器水-水性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究其水側(cè)換熱和壓降特性,并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到換熱系數(shù)和摩擦因子的計(jì)算關(guān)聯(lián)式.李曉亮[1]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同波紋傾角人字形板式換熱器的換熱性能,并得到板式換熱器單相換熱和摩擦系數(shù)的計(jì)算關(guān)聯(lián)式;KHAN T S等人[2]通過實(shí)驗(yàn)研究了3種流道下板式換熱器水-水單相換熱特性,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到努賽爾數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式;AYUB Z H[3]歸納總結(jié)了板式換熱器水-水單相換熱和壓降經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.目前,實(shí)驗(yàn)研究板式換熱器單相換熱和壓降理論已趨于成熟[4-5],這些實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為本文提出的以數(shù)值模擬研究板式換熱器單相換熱和壓降特性提供了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo).結(jié)果表明,利用數(shù)值模擬研究板式換熱器單相換熱和壓降特性具有可行性,同時(shí)節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本,可以推廣應(yīng)用到基于冷媒的板式換熱器兩相換熱和壓降實(shí)驗(yàn)研究中.

1 板式換熱器單流道數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

板式換熱器一般由幾百張波紋板片組裝而成,如果按照實(shí)際比例建模,數(shù)值計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)量巨大,這不僅需要高配置的計(jì)算機(jī),而且仿真計(jì)算的時(shí)間較長(zhǎng),鑒于板式換熱器結(jié)構(gòu)的重復(fù)性,通道數(shù)較多且周期性變化[6],對(duì)板式換熱器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模大多采取對(duì)板片部分區(qū)域進(jìn)行建模.本文數(shù)值模擬的換熱器為江蘇唯益換熱器有限公司生產(chǎn)的B3-095S型釬焊板式換熱器,其尺寸參數(shù)如表1所示.

表1 板式換熱器尺寸參數(shù)

本文利用Gambit2.4.6建立了水側(cè)單流道仿真模型,如圖1所示.該模型由上下兩個(gè)板片構(gòu)成,上下板片之間形成了多個(gè)交錯(cuò)的水流道,水由入口流入后,進(jìn)入下側(cè)兩個(gè)流道,流至周期性壁面時(shí)被折返進(jìn)入上側(cè)流道,上側(cè)水流至周期性邊界時(shí)被折進(jìn)入下側(cè)水流道,以此循環(huán)流動(dòng),直至從出口流出.

圖1 水側(cè)單流道仿真

模型由水側(cè)入口、水側(cè)出口、周期性邊界和換熱壁面構(gòu)成,邊界條件定義如下:水側(cè)入口采取速度入口邊界,入口流速和溫度設(shè)為恒定,速度方向?yàn)榇怪庇谌肟诒砻?并假設(shè)入口平面上每個(gè)點(diǎn)的速度都相等;板式換熱器通道的壁面假設(shè)為無滑移邊界條件,且壁面溫度假設(shè)為恒定值;對(duì)于周期性平面來說,流體的速度場(chǎng)和壓力相等;出口邊界條件設(shè)定為恒定壓力出口.

根據(jù)表1構(gòu)建了B3-095S釬焊板式換熱器數(shù)值模型,該數(shù)值模型水側(cè)入口面積Ain為0.000 0267 32 m2,傳熱面積Aw為0.001 555 47 m2,模型總長(zhǎng)度L為0.047 389 m,當(dāng)量直徑De為0.004 1 m,水的所有物性參數(shù)來自Refprop.

1.2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

相比于實(shí)驗(yàn)研究板式換熱器水側(cè)換熱和壓降特性,數(shù)值模擬是將板式換熱器部分區(qū)域進(jìn)行模型化,由于板片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,構(gòu)造的數(shù)值模型無法完全與實(shí)際板片結(jié)構(gòu)相符合,模型僅是換熱器內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)的高度理想化.通過數(shù)值模擬的方式研究板式換熱器換熱和壓降特性,數(shù)值模型的精確程度尤為重要,其決定了模擬結(jié)果能否正確反映板式換熱器實(shí)際換熱和壓降的性能.為了正確得到板式換熱器單相換熱和壓降性能,本文利用模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)對(duì)比的方法驗(yàn)證該數(shù)值模型的正確性.

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的板式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了相應(yīng)的數(shù)值模型,并利用Fluent14.0進(jìn)行模擬計(jì)算,CFD模型努賽爾數(shù)計(jì)算值與文獻(xiàn)[2]實(shí)驗(yàn)點(diǎn)之間的精度對(duì)比如圖2所示.由圖2可以看出,CFD模型仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[2]實(shí)驗(yàn)點(diǎn)具有較高的吻合性,誤差在±5﹪以內(nèi),這說明提出的單流道CFD仿真模型對(duì)于模擬計(jì)算板式換熱器水側(cè)換熱和壓降特性是可行有效的.

圖2 文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值對(duì)比

2 數(shù)據(jù)處理方法

一般在要求不高的湍流條件下,板式換熱器整個(gè)流程的平均對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算式為[7]:

(1)

(2)

(3)

式中:Nu——努賽爾數(shù); hc——換熱系數(shù),W/m2·K; De——當(dāng)量直徑,m; λ——導(dǎo)熱系數(shù),w/m·k; Re——雷諾數(shù); Pr——普朗特?cái)?shù); C1——待求常數(shù); G——質(zhì)量流率,kg/s·m2; Cp——比熱容,kJ/kg· ℃; μ——粘度,Pa·s.

總換熱量為:

(4)

式中:Q——換熱量,J; M——質(zhì)量流量,kg/s; Tin,Tout——進(jìn)口和出口溫度,K.

換熱系數(shù)為:

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:ΔT——對(duì)數(shù)平均溫差,K; Aw——模型傳熱面積,m2; ΔT1——進(jìn)口溫度與壁面溫度差,K; ΔT2——出口溫度與壁面溫度差,K; Tw——壁面溫度,K. 摩擦系數(shù):

(9)

(10)

(11)

式中:f——摩擦系數(shù);ΔP——壓降,Pa; Pin,Pout——進(jìn)口壓力和出口壓力,Pa; ρ——密度,kg/m3; L——模型長(zhǎng)度,m; Ain——模型入口面積,m2.

3 換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式擬合

3.1 換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式擬合

由Fluent14.0計(jì)算得到不同入口溫度、壁面溫度下的計(jì)算結(jié)果如表2至表5所示.

表2 Tin=290.53,Tw=285.65,Pr=7.51時(shí)的計(jì)算結(jié)果

表3 Tin=282.53,Tw=277.65,Pr=9.60時(shí)的計(jì)算結(jié)果

表4 Tin=278.13,Tw=273.25,Pr=11.15時(shí)的計(jì)算結(jié)果

表5 Tin=313.03,Tw=308.15,Pr=4.56時(shí)的計(jì)算結(jié)果

基于計(jì)算結(jié)果,對(duì)式(1)進(jìn)行回歸分析得到板式換熱器水側(cè)單相努賽爾數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式:

Nu=1.081 1Re0.518 2Pr0.314 5

130

(12)

模擬結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值之間的精度對(duì)比如圖3所示.由圖3可以看出,兩者誤差基本在±10%線內(nèi),部分誤差在±5%線內(nèi),僅有少數(shù)點(diǎn)誤差較大,最大誤差為18.86%,平均誤差4.48%.

圖3 努賽爾數(shù)模擬計(jì)算值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值對(duì)比

3.2 摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式擬合

液體在板式換熱器中的壓降主要來自摩擦阻力,以及角孔壓力等,一般摩擦壓降計(jì)算公式為:

f=C2Ren

(13)

式中:C2——待求常數(shù).

式(13)中,C2和n的數(shù)值依據(jù)具體的板片結(jié)構(gòu)而定.本文考慮了水的進(jìn)口速度和進(jìn)口水溫對(duì)壓降的影響,提出了修正的摩擦系數(shù)計(jì)算模型:

(14)

基于模擬數(shù)據(jù),分別對(duì)式(13)和式(14)進(jìn)行回歸分析,得到摩擦系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式為:

f=5.746Re-0.258 7130

(15)

130

(16)

式(15)和式(16)擬合曲線之間的精度對(duì)比如圖4所示.

由圖4可以看出,由式(16)擬合得到的曲線與數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的吻合度更好,相關(guān)性更高,而由式(15)擬合得到的曲線與數(shù)據(jù)點(diǎn)之間偏離較大,所以本文提出的摩擦系數(shù)計(jì)算模型更能夠體現(xiàn)摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系.

摩擦系數(shù)模擬結(jié)果與式(16)計(jì)算值之間的精度對(duì)比如圖5所示.由圖5可以看出,兩者誤差在±4%線內(nèi),最大誤差為3.27%,平均誤差僅為1.16%.

圖4 式(15)和式(16)計(jì)算模型擬合結(jié)果對(duì)比

圖5 摩擦系數(shù)模擬計(jì)算值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值對(duì)比

4 結(jié) 語

本文根據(jù)板式換熱器單相換熱實(shí)驗(yàn)研究理論,構(gòu)建了板式換熱器水側(cè)單流道仿真計(jì)算模型,通過與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的對(duì)比驗(yàn)證了該模型的精確性,并利用數(shù)值模擬分析了B3-095S釬焊板式換熱器水側(cè)單相換熱和壓降性能.分析結(jié)果表明,采取數(shù)值模擬研究分析板式換熱器水-水換熱和壓降特性是可行有效的,此數(shù)值研究方法可應(yīng)用于不同型號(hào)的系列板式換熱器.

[1] 李曉亮.人字形板式換熱器強(qiáng)化傳熱研究及場(chǎng)協(xié)同分析[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2009.

[2] KHAN T S,KHAN M S,CHYU M C,etal.Experimental investigation of single phase convective heat transfer coefficient in a corrugated plate heat exchanger for multiple plate configurations[J].Applied Thermal Engineering,2010(30):1 058-1 065.[3] AYUB Z H.Plate heat exchanger literature survey and new heat transfer and pressure drop correlations for refrigerant evaporators[J].Heat Transfer Engineering,2003,24(5):3-16.

[4] MOTA F A S,RAVAGNANI M A S S,CARVALHO E P.Optimal design of plate heat exchangers[J].Applied Thermal Engineering,2014,63(1):33-39.

[5] 楊艷,王英龍.板式換熱器設(shè)計(jì)選型的一種計(jì)算方法[J].石油煉制與化工,2004(5):54-56.

[6] 李想.板式換熱器傳熱的數(shù)值模擬及波紋板參數(shù)優(yōu)化[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2013.

[7] 楊崇麟,張明石,王中錚.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:45-56.

(編輯 白林雪)

Numerical Simulation of Single-phase Heat Transfer and Pressure Drop in Plate Heat Exchangers

JIANG Weiting, HUANG Yongshuai, HAN Weizhe, SHI Wensi

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

A single channel CFD simulation calculation model of a plate heat exchanger is established and the accuracy of the model is verified by comparison with the experimental points.The water side heat transfer coefficient and frictional coefficient calculation correlations of plate heat exchanger are obtained based on the numerical simulation.The correlations provide the basis for the optimization design of plate heat exchanger.

plate heat exchanger; single phase; heat transfer; pressure drop; numerical simulation

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.003

2015-08-27

簡(jiǎn)介：黃永帥(1989-),男,在讀碩士,江蘇徐州人.主要研究方向?yàn)榘迨綋Q熱器性能測(cè)試與優(yōu)化設(shè)計(jì).E-mail:hys1126795869@126.com.

TK172

A

1006-4729(2016)06-0519-05