板式換熱器分配區(qū)改造的數(shù)值模擬及場協(xié)同分析

張仲彬，張　浩，鄭孔橋

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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板式換熱器分配區(qū)改造的數(shù)值模擬及場協(xié)同分析

張仲彬，張浩，鄭孔橋

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：對人字形板式換熱器冷熱雙流道計(jì)算模型進(jìn)行分配區(qū)結(jié)構(gòu)改造，建立了新計(jì)算模型。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對不同工況下兩換熱器模型內(nèi)流體的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比了兩模型內(nèi)的速度場和溫度場，并運(yùn)行場協(xié)同原理分析了流道內(nèi)的速度場和溫度場及速度場和壓力場的協(xié)同性。結(jié)果表明：新模型的速度場和壓力場的協(xié)同性更好，在換熱能力相同情況下，壓降較低，經(jīng)濟(jì)性得到提高。

關(guān)鍵詞：板式換熱器、分配區(qū)、數(shù)值模擬、場協(xié)同理論

板式換熱器作為一種通用的熱能動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，已被廣泛使用于醫(yī)藥、制冷與暖通、余熱回收、動(dòng)力及石油化工、航空航天等絕大部分工業(yè)領(lǐng)域，可以作為冷凝器、蒸發(fā)器、回?zé)崞骷爸虚g冷卻器等，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。由于數(shù)值模擬方法研究高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在板片的設(shè)計(jì)、選型和優(yōu)化等過程得到了廣泛應(yīng)用。黃莉、崔立祺、曲寧和吳華新[1-4]等分別截取人字形波紋板式換熱器50 mm×100 mm，50 mm×110 mm和128 mm×128 mm主流區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算分析，得到了波紋夾角β、高度h和間距l(xiāng)對換熱器性能的影響，并利用計(jì)算結(jié)果擬合各幾何參數(shù)與努謝爾特?cái)?shù)、壓力降之間的關(guān)系曲線。Flavio C.C.Galeazzo[5]等人通過對板式換熱器的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在通道內(nèi)存在流體流動(dòng)不均和流量分布不均的現(xiàn)象。Carla S.Fernandes[6]等人對高粘度流體在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)在層流狀態(tài)下，流體的扭曲系數(shù)和摩擦相關(guān)性系數(shù)隨著波紋傾斜角的減少和通道寬高比的增加而增加。Xiao-Hong Han[7]等人根據(jù)板片的完整結(jié)構(gòu)建立了雙流道的三維計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)在板片進(jìn)、出口處都存在流動(dòng)死區(qū)。板間的流量分布不均或流動(dòng)死區(qū)與分配區(qū)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，分配區(qū)的結(jié)構(gòu)對板式換熱器的性能有著重要影響。本文在原有的冷熱雙流道幾何模型基礎(chǔ)上，對分配區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造并建立了新的模型，對兩種模型在不同工況條件下的進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其速度場與溫度梯度場的夾角隨Re的變化情況，并運(yùn)用場協(xié)同理論對模擬結(jié)果進(jìn)行三場協(xié)同分析。

1換熱器的數(shù)值計(jì)算模型

1.1物理模型

研究對象為BR0.015F型人字形，基本參數(shù)為：換熱面積0.015 m2，波高2 mm，法相節(jié)距6 mm，β角60°，材料為304不銹鋼[8-9]。筆者按照該板片圖紙的實(shí)際尺寸建立三維計(jì)算模型A，計(jì)算區(qū)域如圖1所示。在模型A的基礎(chǔ)上，改造分配區(qū)的結(jié)構(gòu)，建立了模型B，計(jì)算域如圖2所示，冷熱流體對角逆向流動(dòng)，上側(cè)流動(dòng)為熱流體，A端流入C端流出下例流道為冷流體，D端流入B端流出。

圖1 幾何模型A圖2 幾何模型B

1.2相關(guān)假設(shè)

由于研究的傳熱問題沒有相變，流道內(nèi)的溫差較小，故進(jìn)行如下假設(shè)：①流動(dòng)各物理量不隨時(shí)間變化，設(shè)為定常流動(dòng)；②流體為不可壓縮的牛頓流體；③忽略流體流動(dòng)時(shí)的黏性耗散作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

1.3數(shù)學(xué)模型

相關(guān)的控制方程如下：

連續(xù)方程

(1)

式中：u、v和w分別為x、y和z方向上的速度分量，m/s。

動(dòng)量方程

(2)

式中：i為方向；Ui為i方向上的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；p為壓力分量，Pa；μ為動(dòng)力黏度，kg/m·s-1。

能量守恒方程

(3)

式中：T為溫度，K；α為流體熱擴(kuò)散率，m/s。

RNGk-ε模型

(4)

(5)

1.4邊界條件

1.4.1壁面條件

外部邊界為無滑移速度邊界條件，冷熱流道接觸的面設(shè)為傳熱面，其余各面設(shè)為絕熱邊界條件。

1.4.2網(wǎng)格劃分

通過Pro/e軟件建立模型，并采用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于傳熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，先將模型按進(jìn)出口、分流區(qū)和波紋傳熱區(qū)分割成10部分，并各自填充網(wǎng)格，然后按梯次加密網(wǎng)格。當(dāng)平均Nu開始穩(wěn)定、不再發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)網(wǎng)格密度已經(jīng)足夠滿足模擬精度的要求。

1.4.3數(shù)值計(jì)算

板間流動(dòng)為單相流動(dòng)，流動(dòng)為湍流，采用RNGk-ε湍流模型，保持模型中的各參數(shù)值不變。計(jì)算采用分離變量隱式法求解，速度和壓力耦合采用SIMPLE算法，二階精度的迎風(fēng)格式離散。

1.4.4進(jìn)出口邊界條件

2改造前后傳熱及阻力特性分析

本文對進(jìn)口流速在0.2 m/s-0.6 m/s間的5種工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，并以進(jìn)口流速0.5 m/s為例，分析兩模型的速度場、溫度場和壓力場變化。

2.1板式換熱器流道內(nèi)的速度場

圖3和圖4分別為進(jìn)口流速u=0.5 m/s時(shí)模型A和模型B在y=0.2 mm截面上的速度分布。從圖中可以看出，模型A在進(jìn)口分配區(qū)的上部存在“死區(qū)”，導(dǎo)致波紋區(qū)在入口段沿z方向存在明顯的流體流動(dòng)不均現(xiàn)象，這是由于分配區(qū)結(jié)構(gòu)不合理造成的；模型B在波紋區(qū)進(jìn)口部分分流均勻，流體沿波紋區(qū)分布均勻。

圖3 模型Ay=0.2mm截面上的速度分布圖4 模型By=0.2mm截面上的速度分布

2.2板式換熱器流道內(nèi)的溫度場

圖5和圖6分別為模型A與B在進(jìn)口流速u=0.5 m/s時(shí)傳熱面熱側(cè)上的溫度分布。從圖中可以看出，隨著流體的流動(dòng)，板片的溫度逐漸升高，模型A在波紋區(qū)的進(jìn)口段沿z方向存在換熱不均的現(xiàn)象，且在波紋區(qū)的右上角明顯換熱較差，模型B在整個(gè)板片上換熱較為均勻，有利于增強(qiáng)換熱。

圖5 模型A在傳熱面冷側(cè)上的溫度分布圖6 模型B在傳熱面冷側(cè)上的溫度分布

3改造前后協(xié)同原理分析

過增元等[10]從流體速度矢量和熱流矢量夾角的角度重新思考了對流換熱的物理機(jī)制，提出了對流換熱強(qiáng)化的場協(xié)同原理。

許多學(xué)者已將場協(xié)同原理作為評(píng)價(jià)換熱表面的強(qiáng)化換熱效果或作為強(qiáng)化傳熱綜合性能的評(píng)價(jià)參量[11-13]。

3.1速度場與溫度場協(xié)同分析

軸上孔的防水和防火密封根據(jù)“高層民用建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范”，如果井中的孔設(shè)計(jì)不好，在發(fā)生井下時(shí)容易發(fā)生煙囪效應(yīng)火。因此，當(dāng)在建筑物電力軸中安裝電力時(shí)，需要加強(qiáng)軸中的孔的防水和防火密封。安裝質(zhì)量直接影響建設(shè)項(xiàng)目的正常使用，這要求相關(guān)技術(shù)人員在實(shí)際工作中嚴(yán)格按照規(guī)定要求，嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量，確保其質(zhì)量，從而保證建設(shè)項(xiàng)目的正常使用。該方法是使用防火隔板，火是用于密封孔的鋼板，然后填充一些防火阻擋材料，同時(shí)，可在地板周圍建造水泥砂漿阻水圈，防止水流入井筒阻火材料。

過增元[10]從對流換熱的能量方程出發(fā)，通過分析二維熱邊界問題得出無因次關(guān)系式

(6)

其中，Rex、Nux的定義與通常邊界層流動(dòng)分析中相同。被積因子可寫成：

(7)

采用冷學(xué)禮[14]等對速度場和溫度場梯度局部協(xié)同角的改進(jìn)式

(8)

式中，vL為流體速度，m/s；T為溫度梯度。

全場的速度和溫度梯度的平均協(xié)同角為

(9)

式中，dVi為第i個(gè)控制容積的體積元。

圖7　模型A的速度與溫度場協(xié)同角

圖8　模型B的速度與溫度場協(xié)同角

圖9　模型A的速度與壓力場協(xié)同角

圖10　模型B的速度與壓力場協(xié)同角

圖7和圖8為進(jìn)口流速u=0.5m/s時(shí)，模型A與B的速度與溫度場協(xié)同角，η=10cosβ。從圖中可以看出，速度與溫度場協(xié)同角在板片中不是均勻分布的，在兩塊板片觸點(diǎn)附近速度與溫度夾角余弦值具有較大值，這是由于這部分區(qū)域存在強(qiáng)烈的湍流。在相同雷諾數(shù)時(shí)，模型B的速度與溫度場夾角更小，場協(xié)同性更高，換熱性能更好。

3.2速度場與壓力場協(xié)同分析

何雅玲[15]等從流體流動(dòng)的動(dòng)能方程出發(fā)，提出壓降梯度的做功率，記為

(10)

其中，α為速度和壓力梯度間的夾角。可以看出，在一定的流場分布情況下，壓力要做一定的功，當(dāng)α<90 ℃時(shí)，減小速度場與溫度梯度場的夾角或在α>90 ℃時(shí)增大速度場與溫度場的夾角。這樣，壓力梯度的做功越強(qiáng)，產(chǎn)生的壓降越小。

定義速度和壓力梯度的局部協(xié)同角

(11)

全場的速度和壓力梯度的平均協(xié)同角

(12)

其中，dνi為第i個(gè)控制容積的體積元。

圖9和圖10為進(jìn)口流速u=0.5m/s時(shí)，模型A與B的速度與壓力梯度的協(xié)同角，θ=-10cosα。從圖中可以看出，速度與壓力場協(xié)同角在板片內(nèi)也不是均勻分布。相同雷諾數(shù)時(shí)，模型B的速度與壓力場協(xié)同角更大，兩場協(xié)同更好，壓降更小。

3.3模擬數(shù)據(jù)的處理

圖11和12給出了為模型A與B的速度與溫度的全場平均協(xié)同角θφ和速度與壓力的全場平均協(xié)同角θm隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著流速的增大，兩模型的速度與溫度場的夾角均減小，場協(xié)同性提高，換熱性能增強(qiáng)；而速度與壓力場夾角均減小，場協(xié)同性降低，壓降增大。在相同流速時(shí)，模型A與B的速度與溫度場平均角相差很小，換熱性能基本相同，而速度與壓力場平均角則明顯大于A，即相同流速下，模型B的內(nèi)部流阻更小，壓降更低。

圖11 模型A與B的速度與溫度全場平均協(xié)同角圖12 模型A與B的速度與壓力全場平均協(xié)同角

4結(jié)論

板式換熱器分配區(qū)經(jīng)過改進(jìn)后，流道內(nèi)流體分布更加均勻，改善了流動(dòng)特性，流體流動(dòng)阻力大大減小，同時(shí)板片整體換熱更加均勻，在換熱性能基本不變的同時(shí)，降低了壓降；而且流道內(nèi)速度場與壓力場的協(xié)同性更好，經(jīng)濟(jì)性得到提高。

參考文獻(xiàn)

[1]黃莉.板式換熱器波紋參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.

[2]崔立祺.基于 FLUENT 的板式換熱器三維數(shù)值模擬[J].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[3]曲寧.板式換熱器傳熱與流動(dòng)分析[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2005，5：10-10.

[4]吳華新，孫剛，周松，等.波紋傾角β對空氣在波紋流道內(nèi)的流阻與傳熱影響的數(shù)值分析[J].熱能動(dòng)力工程，2008，23(5)：531-534.

[5]Galeazzo F C C，Miura R Y，Gut J A W，et al.Experimental and numerical heat transfer in a plate heat exchanger [J].Chemical Engineering Science，2006，61(21)：7133-7138.

[6]Fernandes C S，Dias R P，Nobrega J M，et al.Laminar flow in chevron-type plate heat exchangers：CFD analysis of tortuosity，shape factor and friction factor [J].Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2007，46(9)：825-833.

[7]Han X H，Cui L Q，Chen S J，et al.A numerical and experimental study of chevron，corrugated-plate heat exchangers [J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2010，37(8)：1008-1014.

[8]徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器性能的數(shù)值模擬[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011，31(3)：198-202.

[9]徐志明，黃興，郭進(jìn)生，等.冷卻水水質(zhì)參數(shù)對板式換熱器污垢特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32(4)：645-647.

[10] 過增元，換熱器中的場協(xié)同原則及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，39(12)：1-9.

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

[12] 郭春生，杜文靜，王飛，等.不同傾斜角新型板式換熱器特性及場協(xié)同原理分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，35(6)：144-147.

[13] 夏翔鳴，趙力偉，徐宏，等.基于場協(xié)同理論的強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)因子[J].熱能動(dòng)力工程，2011，26(2)：197-201.

[14] 冷學(xué)禮.振動(dòng)圓管外強(qiáng)化傳熱機(jī)理及污垢生長特性研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[15] 何雅玲，雷勇剛，田麗婷，等.高效低阻強(qiáng)化換熱技術(shù)的三場協(xié)同性探討[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(11)：1904-1906.

Numerical Simulation and Field Synergy Principle Analysis on the Distribution Area of Plate Heat Exchangers

ZHANG Zhong-bin，ZHANG Hao，ZHENG Kong-qiao

(Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：Based on the structure modification of distribution area of plate heat exchanger，a new calculation model was established which include cold and hot double flow channel.Under various working conditions，numerical simulation on heat transfer and pressure drop characteristics were performed for two models by computational fluid dynamic software.Velocity field and temperature field of the two models were compared and the synergy of the velocity field and temperature field and the synergy of the velocity field and pressure field were analyzed in flow channel.From the result，the synergy of the velocity field and temperature field in new model is better.Pressure drop is lower based on the heat transfer performance，and economy is improved.

Key words：Plate heat exchanger；Distribution area；Numerical simulation；Field synergy theory

中圖分類號(hào)：TK124

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2016)01-0051-05

作者簡介：張仲彬(1973-)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向：強(qiáng)化傳熱及表面材料的阻垢.

收稿日期：2015-09-12