板式換熱器板片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能影響的分析

陳瓊光

摘要：本文針對(duì)板式換熱器進(jìn)板片的波紋結(jié)構(gòu)行數(shù)值模擬分析進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。我們研究的重點(diǎn)就是從數(shù)值模擬仿真入手，利用CFD軟件，進(jìn)行流場(chǎng)分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)的專業(yè)軟件。通過(guò)uG軟件，可以分析并顯示發(fā)生在流場(chǎng)中的現(xiàn)象，在比較短的時(shí)間內(nèi)，能預(yù)測(cè)性能，并通過(guò)改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳效果，為后續(xù)更好的研究找到方向。

關(guān)鍵詞：板式換熱器板片；數(shù)值模擬；UG

1引言

換熱器是廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、動(dòng)力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用的換熱設(shè)備。冷熱流體的換熱均發(fā)生在換熱板片上，此外還要承受板片兩側(cè)的流體壓差，所以作為板式換熱器傳熱部件的板片研究、開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。板式換熱器的性能主要體現(xiàn)在總傳熱系數(shù)和壓降兩方面。

本文基于板片的初步模型，和板式換熱器流動(dòng)與換熱機(jī)理，應(yīng)用有限元和理論分析相結(jié)合的方法，圍繞板式換熱器板片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響分析展開(kāi)研究。運(yùn)用3D軟件對(duì)人字形波紋板式換熱器板片進(jìn)行建模及分析。

2主要研究?jī)?nèi)容

現(xiàn)有的板式換熱器設(shè)計(jì)多以選型計(jì)算為主，選配過(guò)程中局限性較大。有時(shí)受操作工藝、操作空間等客觀因素限制，廠家現(xiàn)有板片無(wú)法滿足生產(chǎn)勞動(dòng)特定性能及運(yùn)行特征的要求，就要根據(jù)實(shí)際操作參數(shù)，進(jìn)行板片的開(kāi)發(fā)成型設(shè)計(jì)。因此研究特定條件下板片幾何參數(shù)對(duì)換熱性能的影響，對(duì)板片開(kāi)發(fā)成型設(shè)計(jì)工作具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

現(xiàn)在的研究方式基本上是：數(shù)據(jù)分析、實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、研究性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等。這些方法是可行的，可是周期長(zhǎng)、成本高、對(duì)過(guò)程計(jì)算要求精確，任何中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致后續(xù)研究無(wú)法進(jìn)行，或浪費(fèi)大量時(shí)間。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，有限元法已經(jīng)在結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。

本文利用UG軟件進(jìn)行板片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)格劃分，通過(guò)有限元分析對(duì)人字形波紋板式換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)和換熱進(jìn)行數(shù)值模擬分析，具體的分析有以下幾個(gè)方面。

（1）通過(guò)在其他條件都一定的情況下，不同波紋角度的板片結(jié)構(gòu)分析，得到板片換熱性能較好區(qū)域；

（2）通過(guò)在其他條件都一定的情況下，不同波紋深度的板片結(jié)構(gòu)分析，得到波紋深度性能最優(yōu)區(qū)域；

（3）通過(guò)在其他條件都一定的情況下，不同波紋間距的板片結(jié)構(gòu)分析，得到波紋間距較好區(qū)域。

3模型建立

根據(jù)板式換熱器板片制作圖建立分析計(jì)算模型，模型按照設(shè)計(jì)的要求，包括板片波紋形式、主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。將建好的物理模型，劃分成可計(jì)算的網(wǎng)格模型。在流體的模擬計(jì)算過(guò)程中，為保證計(jì)算的速度和突出計(jì)算的重點(diǎn)，所以在用FLUENT前處理軟件建立蒸發(fā)冷卻器的網(wǎng)格模型時(shí)，應(yīng)該對(duì)板片模型做相應(yīng)簡(jiǎn)化。

由于板片為不規(guī)則模型，不能直接生成結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，且板片結(jié)構(gòu)中所包含的物理模型比較復(fù)雜，不規(guī)則的網(wǎng)格模型會(huì)加大計(jì)算收斂的難度和影響計(jì)算的精度。如果在劃分網(wǎng)格時(shí)適當(dāng)?shù)膶迤M(jìn)行分區(qū)，分成圓柱、圓弧等一些規(guī)則模型。這樣可降低網(wǎng)格劃分的難度，并且提高網(wǎng)格的質(zhì)量。

首先對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品做整體性能分析，進(jìn)一步驗(yàn)證本文研究范圍的合理性。通過(guò)分析數(shù)據(jù)得到，板片波紋形式對(duì)流體流速、阻力有著決定性的影響，是影響換熱性能的重要因素。所以，確定本研究不再過(guò)多考慮板片角孔區(qū)、導(dǎo)流區(qū)對(duì)整體換熱影響，重點(diǎn)分析板片的波紋傾角、波紋深度、波紋間距不同時(shí)對(duì)板片換熱性能的影響。并且制定了分析方向，得到分析結(jié)果。在有限元數(shù)值模擬分析后，得到各種條件下呈現(xiàn)的不同的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)。

4基本方法

通過(guò)分析影響換熱性能的主要因素、板片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做出更適合分析的流體分析模型，找到課題研究和結(jié)果的決定性因素和參數(shù)。基于板片的模型參數(shù)，進(jìn)行初級(jí)建模，然后利用有限元分析模塊功能對(duì)初級(jí)模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

板式換熱器設(shè)計(jì)主要考察整體的壓力降和總體換熱系數(shù)，壓力降直接影響到板式換熱器的大小，而總體換熱系數(shù)則直接影響換熱器整體換熱性能。換熱系數(shù)的計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，目前比較流行的方法是對(duì)數(shù)平均溫差法和NTU法。在計(jì)算機(jī)沒(méi)有普及的時(shí)候，各個(gè)廠家大多采用計(jì)算參數(shù)近似估算和流速一總傳熱系數(shù)曲線估算方法。目前，越來(lái)越多的廠家采用計(jì)算機(jī)計(jì)算，這樣，板式換熱器的工藝計(jì)算變得快捷、方便、準(zhǔn)確。

通過(guò)以上各個(gè)物理參數(shù)的關(guān)系，可以看出，當(dāng)換熱量相同，溫度相同，傳熱系數(shù)越高，所需要的換熱面積就越小，這樣產(chǎn)生的成本就越低，這是在生產(chǎn)過(guò)程中所追求的。這就提示我們?cè)谧鲈O(shè)計(jì)的時(shí)候要更多的考慮如何提高板換的效率，這個(gè)任務(wù)就很自然的落到了每個(gè)板片上面。

6結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)人字形波紋板片的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸，建立了冷熱雙流道換熱計(jì)算模型，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)板式換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，對(duì)板片的結(jié)構(gòu)給出了優(yōu)化建議。進(jìn)行的板片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)板式換熱性能影響的分析，對(duì)企業(yè)進(jìn)行板片設(shè)計(jì)、改造、生產(chǎn)等都具有重要指導(dǎo)作用，同時(shí)對(duì)板式換熱器的整體換熱性能的研究提供了核心依據(jù)。