基于正交試驗(yàn)的凸臺型全焊接板式換熱器優(yōu)化*

□ 王傳偉 □ 賈文廣 □ 梁曉明 □ 唐榮生 □ 張克銳

青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266100

1 研究背景

節(jié)能與科學(xué)用能是解決我國能源問題、二氧化碳減排首先考慮和關(guān)注的問題[1]。換熱器產(chǎn)業(yè)是環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè),并且是一個處于快速發(fā)展期的產(chǎn)業(yè)[2]。板式換熱器通過板片換熱,具有結(jié)構(gòu)緊湊和傳熱效率高等特點(diǎn),是目前較為先進(jìn)的高效節(jié)能設(shè)備。隨著制造技術(shù)和焊接技術(shù)的快速發(fā)展,全焊接板式換熱器的性能得到較大提升,并且引起了工業(yè)界的廣泛關(guān)注。全焊接板式換熱器在食品生產(chǎn)中同樣是重要設(shè)備,融合普通板式換熱器和管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn),具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景[3]。隨著工業(yè)生產(chǎn)工藝要求的不斷變化,在含高黏流體與顆粒流體等場合，常規(guī)可拆板式換熱器很難滿足要求,而寬流道板式換熱器不但承壓高,而且采用可拆板式設(shè)計(jì)，便于內(nèi)部清洗，可降低檢修、維修成本,具備良好的應(yīng)用前景[4]。凸臺型全焊接板式換熱器是在寬流道板式換熱器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新型換熱器，當(dāng)前多為凹坑凸胞結(jié)構(gòu),主要特點(diǎn)是傳熱強(qiáng)度高、流動阻力小、綜合傳熱性能高[5]。Durmas等[6]通過研究平板式換熱器、波紋板式換熱器和星形板式換熱器三種不同類型換熱器表面幾何結(jié)構(gòu)對換熱性能、摩擦因數(shù)和火用損失的影響,基于試驗(yàn)得到傳熱系數(shù)、摩擦因數(shù)及火用損失的關(guān)聯(lián)式，確認(rèn)波紋板式換熱器的換熱效率高于其它類型換熱器。Jeong等[7]通過數(shù)值模擬研究人字形板、橢圓形板和圓形板,表明從傳熱和壓降的角度看,橢圓板的性能優(yōu)于人形板。劉曉兵[8]以波紋板式換熱器為研究對象,對波紋板內(nèi)的流體流動進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明流體在板內(nèi)流動時存在流動死區(qū),導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)域傳熱效果很差,在板壁面出現(xiàn)熱點(diǎn)。劉建勇等[9]對酒窩板式換熱器的排列方式進(jìn)行數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明在考慮泵功率消耗時酒窩板的熱效率與波紋板的熱效率很接近。藍(lán)少健等[10]應(yīng)用數(shù)值模擬方法對新型凹凸殼換熱板通道的流動換熱特性進(jìn)行了研究,確認(rèn)凹凸殼順排組合時換熱因子j、摩擦因子f比酒窩板分別增大8.44%和7.9%。

筆者研究一種新型凸臺型板片,該板片與凸胞型板片類似,主要不同處在于將凸胞改為凸臺。凸臺相較于凸胞更容易使流體在兩側(cè)生成旋渦和二次流,進(jìn)而增大換熱面積,提高換熱效率[11]。筆者對尺寸為100 mm×100 mm的凸臺型板片進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化的方法為采用正交試驗(yàn),充分利用標(biāo)準(zhǔn)化正交表來安排試驗(yàn)方案,并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析,最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù),縮短試驗(yàn)周期的目的[12-14]。筆者基于正交試驗(yàn)對凸臺型板片各個因素和水平進(jìn)行篩選,將通過數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果作為正交試驗(yàn)的指標(biāo),對凸臺型全焊接板片換熱器進(jìn)行優(yōu)化。在研究中，通過流固耦合方法對凸臺型板片進(jìn)行數(shù)值模擬,流固耦合數(shù)值模擬方法對板式換熱器而言，模擬結(jié)果更加符合實(shí)際規(guī)律。

2 凸臺型全焊接板式換熱器分析

2.1 結(jié)構(gòu)

凸臺型全焊接板式換熱器的整個換熱芯體由氬弧焊焊接而成,為金屬材質(zhì),有較高的耐溫、耐壓性能，滿足工作溫度300 ℃、壓力3.0 MPa的工況條件。該換熱器的四壁由盲板組成，采用螺栓連接,方便維修和清洗內(nèi)部構(gòu)件。盲板內(nèi)壁附有不銹鋼層,防止介質(zhì)腐蝕。密封墊起密封作用,防止介質(zhì)外泄。凸臺型全焊接板式換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 凸臺型全焊接板式換熱器結(jié)構(gòu)

2.2 凸臺型板片

筆者將板片外形為正方形的凸臺型全焊接板式換熱器作為研究對象,板片外形的總體尺寸為100 mm×100 mm,板片厚度為1 mm,所用材料為304不銹鋼。凸臺型板片如圖2所示。由兩個相同的板片組成一個板對,芯體由相似的板對堆疊而成。每個板對均由凸臺相互接觸,可加強(qiáng)板束承壓能力,同時加強(qiáng)板間凸臺對換熱介質(zhì)的湍流作用。冷熱流體通過交叉流動方式進(jìn)行換熱,即冷流體與熱流體的總體流動方向相互垂直,可以進(jìn)行充分換熱。

▲圖2 凸臺型板片

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

建立凸臺型板片模型,分析凸臺型板片的板型參數(shù)對傳熱和阻力的影響,具體參數(shù)組合包括凸臺數(shù)量、凸臺深度和凸臺傾角，見表1。

表1 凸臺型板片模型參數(shù)

基于參數(shù)組合，共有32種模型。通過數(shù)值模擬直接對32種模型進(jìn)行分析,不僅工作量大，而且煩瑣。因此筆者通過正交試驗(yàn)先對32種模型進(jìn)行篩選,減少試驗(yàn)次數(shù),再通過正交試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行比較，篩選出最優(yōu)模型。

通過正交試驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)凸臺型板片正交試驗(yàn)因素及水平,見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素及水平

通過上述正交試驗(yàn)因素及水平，篩選出八組模型進(jìn)行數(shù)值模擬,見表3。

表3 正交試驗(yàn)數(shù)值模擬參數(shù)

4 凸臺型板片數(shù)值模擬

4.1 數(shù)學(xué)模型

筆者進(jìn)行研究時，確保換熱過程中換熱介質(zhì)沒有發(fā)生相變，因此在建立數(shù)學(xué)模型時進(jìn)行如下假設(shè):① 換熱介質(zhì)流動為定常流動;② 換熱介質(zhì)可視為連續(xù)介質(zhì);③ 流動時由黏性耗散作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)忽略不計(jì);④ 換熱介質(zhì)視作不可壓縮的黏性流體;⑤ 換熱介質(zhì)為均勻流入。

流體流動與換熱的控制方程中，連續(xù)性方程為：

(1)

式中：ux、uy、uz為流體流動的速度分量,m/s。

動量方程為：

(2)

式中：ui為流體在i方向的速度分量,m/s;xi為所選坐標(biāo)值,m;ν為運(yùn)動黏度,m2/s;ρ為流體介質(zhì)密度,kg/m3。

能量方程為：

(3)

式中：a為熱擴(kuò)散率,m2/s;t為溫度,K。

4.2 湍流模型

筆者應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行模擬時,選用RNGk-ε模型，設(shè)置界面如圖3所示。

▲圖3 RNGk-ε模型設(shè)置界面

4.3 網(wǎng)格劃分

筆者應(yīng)用SolidWorks建立幾何模型,導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件的Geometry模塊，對幾何模型進(jìn)行細(xì)節(jié)修飾,再導(dǎo)入Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。凸臺型板片的流道網(wǎng)格如圖4所示。由于全焊接板式換熱器內(nèi)部凸臺流道復(fù)雜多變,因此為降低網(wǎng)格劃分的難度和提高網(wǎng)格質(zhì)量,網(wǎng)格劃分時選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。

▲圖4 凸臺型板片流道網(wǎng)格

4.4 流固耦合設(shè)置

在Fluent軟件中通過設(shè)置Mesh Interface生成流固耦合面，板片與熱流體及板片與冷流體設(shè)置流固耦合界面如圖5所示。

▲圖5 流固耦合設(shè)置界面

4.5 結(jié)果分析

基于Fluent軟件對凸臺型全焊接板式換熱器的流體區(qū)域模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，流體區(qū)域的溫度云圖、壓力云圖和跡線圖依次如圖6、圖7、圖8所示,通過分析得到凸臺型板片的傳熱特性。

通過數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出凸臺型板片的強(qiáng)化傳熱特性:由于凸臺的存在使流體產(chǎn)生渦旋和二次流,

▲圖6 流體區(qū)域溫度云圖▲圖7 流體區(qū)域壓力云圖▲圖8 流體區(qū)域跡線圖

破壞了壁面穩(wěn)定的邊界層,并且增大了傳熱面積。由此可見，研究凸臺型板片對全焊接板式換熱器而言具有積極影響[16]。

4.6 數(shù)據(jù)處理

換熱因子j隨板間流速變化情況如圖9所示，摩擦因子f隨板間流速變化情況如圖10所示，j/f隨板間流速變化情況如圖11所示。由各圖可以發(fā)現(xiàn)，第一組與第五組綜合情況較好，但是當(dāng)流速加快時，第一組板片j/f減小更加明顯。板式換熱器的板間流速一般在0.2～0.8 m/s之間,筆者選取板間流速0.45 m/s,通過正交試驗(yàn)選出最優(yōu)板型參數(shù)。

▲圖9 換熱因子隨板間流速變化情況▲圖10 摩擦因子隨板間流速變化趨勢▲圖11 j/f隨板間流速變化情況

根據(jù)因素水平與j/f關(guān)系，可得最佳方案為凸臺數(shù)量98、凸臺深度0.34 mm，凸臺傾角45°，而正交試驗(yàn)中沒有所對應(yīng)的方案，因此這是否是最佳方案還需要通過對比分析驗(yàn)證。

4.7 對比分析驗(yàn)證

用正交試驗(yàn)指標(biāo)分析得到的最佳方案和原有八組試驗(yàn)方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到最佳方案的j/f為0.69，優(yōu)于所有原試驗(yàn)方案，由此驗(yàn)證了通過正交試驗(yàn)指標(biāo)得到的最佳方案。

最佳方案與原試驗(yàn)方案j/f隨板間流速變化情況對比如圖12所示。

表4 正交試驗(yàn)極差分析

▲圖12 各方案j/f隨板間流速變化對比

5 結(jié)束語

筆者基于正交試驗(yàn)對凸臺型全焊接板式換熱器進(jìn)行優(yōu)化，通過數(shù)值模擬表明凸臺型板片使流體形成渦流與二次流，破壞了壁面的穩(wěn)定邊界層，增大了傳熱面積。利用換熱因子與摩擦因子的比值作為指標(biāo)，分析得到最佳方案為凸臺數(shù)量98、凸臺深度0.34 mm、凸臺傾角45°。