板式換熱器進(jìn)口處液體分布器的數(shù)值模擬*

王傳偉 賈文廣 梁曉明 閆景路 張克銳

（青島科技大學(xué) 青島 266100）

1 引言

節(jié)能是低碳發(fā)展的第一戰(zhàn)略［1～2］。隨著單體裝置大型化的需求越來越高，管殼式換熱器面積要求不斷做大，加工難度，制造質(zhì)量都難以保證［3～7］。全焊接板式換熱器在生活生產(chǎn)中是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)備，融合了集板式換熱器和管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，一方面保留了板式換熱器高效、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，另一方面兼具管殼式換熱器耐高溫、高壓的特點(diǎn)，是一些特殊熱交換工藝中替代管殼式換熱器的最理想的設(shè)備［8～11］。但是對于寬流道全焊接板式換熱器的應(yīng)用，仍然存在一定的問題，當(dāng)流體通過法蘭接管進(jìn)入板式換熱器內(nèi)，由于流速和壓降原因?qū)е铝黧w未被均勻分布就與換熱芯體接觸，從而使冷熱流體剛進(jìn)入換熱器內(nèi)都未進(jìn)行均勻分布，因此在該流程的換熱效果不佳，還可能生成部分死區(qū)，未能達(dá)到換熱芯體的充分利用，從而使熱量未能進(jìn)行充分的換熱。針對全焊接板式換熱器所出現(xiàn)的這一問題的研究相對較少，所以本文所展現(xiàn)的是一種針對全焊接板式換熱器的新型分布器，該分布器能解決全焊接板式換熱器的流體分布不均情況。本文對分布器的數(shù)值模擬和分析，可以為研究分布器的研究員提供參考。流體通過該分布器，可以更好地使流體均勻分布，流至換熱芯體，使冷熱流體在該流程內(nèi)接觸面積更廣，增加該流程的換熱，從而提升整個(gè)換熱器的換熱效率，更加接近設(shè)計(jì)結(jié)果。對于板式換熱器的液體分布器的均勻分布性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為重要，其中布液均勻性是衡量液體分布器效果的重要指標(biāo)［12］。但通過對換熱器流量分配不均勻性得6種評價(jià)方法進(jìn)行比較，采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值衡量流量分配的不均勻性相對較為合理［13～15］。

2 液體分布器模型介紹

2.1 圓柱型液體分布器幾何模型

本文對于圓柱型液體分布器進(jìn)行研究和改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)的縱向長度為H，橫向是由長度為2L的板面沿中心線折疊而成，其中折疊角度為β，如圖1所示。其中橫向和縱向的長度根據(jù)不同的流程空間而確定，而傾斜角度的變換，圓柱孔直徑的大小都會對流體的均布情況產(chǎn)生顯著的影響。在具體的流程空間中可得到位置示意圖如圖2所示。

圖1 液體分布器幾何結(jié)構(gòu)

圖2 板式換熱器進(jìn)口處液體分布器的位置示意圖

在液體分布器制造過程中，我們要保證支撐板與液體分布器垂直焊接，再把液體分布器與支撐板垂直焊接到換熱器的盲板之上，保持流體方向與支撐板平行，并且與液體分布器的折疊處保持垂直。傾斜角度β可以使流體呈上下分布，而圓柱孔是流體的基本流動(dòng)路徑，從而使流體分布更廣散。在一定程度上，液體分布器會使流體的流動(dòng)情況趨于均勻化。在新型液體分布器中，流體流入芯體前相比于無液體分布器的流動(dòng)情況，其均勻性更高。

2.2 液體分布器數(shù)學(xué)模型

本文進(jìn)行模擬分析所依據(jù)的數(shù)學(xué)模型主要采用以下假設(shè)。

1）工作介質(zhì)為連續(xù)不可壓的牛頓流體；2）忽略重力以及由于密度差異引起的浮升力；3）在給定流速下假定整個(gè)流動(dòng)區(qū)域?yàn)榉€(wěn)態(tài)流動(dòng)；

4）可認(rèn)為介質(zhì)流動(dòng)為低速流動(dòng)，忽略流體流動(dòng)時(shí)的粘性耗散作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng)；

5）由于流速低、流體為不可壓縮的粘性流體，所以忽略壓力和溫度對流體比熱容和粘性系數(shù)的影響，將通道內(nèi)的流體設(shè)為常物性。

本文的計(jì)算區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)與換熱的控制方程如下。

（1）連續(xù)性方程：

其中，ux、uy、uz為流體流動(dòng)的速度分量，m/s。

（2）動(dòng)量方程：

其中，ui為流體在i方向的速度分量，m/s；xi為所選坐標(biāo)，m；ν為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

（3）能量方程：

其中，a為熱擴(kuò)散率，m2/s。

本文在進(jìn)行模擬時(shí)，選用RNG k-ε湍流模型。

2.3 液體分布器流場均布理論

本文采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值Cv來定量評價(jià)斷面速度均勻性，其值越小表明數(shù)據(jù)越均勻，Cv的表達(dá)式為

2.4 液體分布器網(wǎng)格劃分

液體分布器利用SolidWorks軟件建立物理模型，首先導(dǎo)入Workbench軟件中Geometry模塊中對物理模型進(jìn)行改進(jìn)，然后導(dǎo)入ICEM網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖3和圖4所示，網(wǎng)格數(shù)量為213萬。

圖3 液體分布器網(wǎng)格劃分圖

圖4 板式換熱器入口流道網(wǎng)格劃分圖

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 無液體分布器與圓柱型液體分布器模擬對比結(jié)果分析

本文設(shè)定無液體分布器和圓柱型液體分布器兩種情況下的入口流速均為0.50m/s，而兩種情況下的出口流速不同，分別為0.50m/s和0.38m/s。兩種液體分布器情況的對比結(jié)果如表1所示。

表1 液體分布器情況的對比結(jié)果

同無液體分布器的流體相比，由于圓柱型液體分布器存在大小排列的孔和板面折疊夾角，因此流過圓柱型液體分布器的流體與芯體的接觸面積較大。同時(shí)流體流經(jīng)圓柱型液體分布器時(shí)，由于液體分布器具有使流體流量均布的特性，使得出口流速相對偏差值顯著降低，從而可以達(dá)到提高流體流量均布的效果。

3.2 圓柱型液體分布器情況模擬結(jié)果分析

本文對圓柱型液體分布器進(jìn)行結(jié)果分析，物理模型的變量分別為孔的直接大小和板面的折疊角度β，其中孔的直徑分別為4mm、6mm、8mm，折疊角度分別為0°、15°、30°、45°、60°，在圓柱型液體分布器模擬中將變量分為四組，分別通過對流過孔處的流體速度進(jìn)行監(jiān)測，得到理論分析結(jié)果如表2所示。

表2 圓柱型液體分布器分析

根據(jù)表中所得分析數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)孔直徑大小相同時(shí)，對比圓柱型液體分布器四種不同的板面折疊角度，可以得出第二組的折疊角度為15°時(shí)的出口流速相對偏差值相對較低；當(dāng)確定采用第二組板面折疊角度為15°的圓柱型液體分布器后，再對比三種不同的孔直徑大小，可以得出在確定板面折疊角度為15°的情況下，相比4mm和6mm的孔直徑大小，8mm孔直徑的出口流速相對偏差值較低。

因此，當(dāng)液體分布器的折疊角度為15°，孔直徑大小為8mm時(shí)，流體流過圓柱型液體分布器后的均勻分布性相對較優(yōu)。

4 結(jié)語

本文根據(jù)板式換熱在進(jìn)行熱量交換熱時(shí)，流體經(jīng)過接管進(jìn)入換熱器會出現(xiàn)流體流量分布不均勻的情況，因此需要針對流體流量均勻性的研究提出一種較優(yōu)的液體分布器情況。本文首先針對無液體分布器與圓柱型液體分布器兩種情況的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，確定流體流經(jīng)圓柱型液體分布器的流量均勻分布性較優(yōu)后，再對圓柱型液體分布器情況進(jìn)行模擬結(jié)果分析，得出：

1）對圓柱型液體分布器通過SolidWorks軟件進(jìn)行物理建模，利用ICEM網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。在數(shù)值計(jì)算過程中，在液體分布器的適當(dāng)位置處設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)，從而在下文對液體分布器的相對偏差值Cv進(jìn)行對比奠定了基礎(chǔ)。

2）基于相對偏差值Cv對比分析無液體分布器和圓柱型液體分布器的流體均布情況，結(jié)果表明圓柱型液體分布器的流體速度相對偏差值為8.6%，其均勻分布性相對于無液體分布器時(shí)明顯提高50%左右。

3）基于相對偏差值Cv對圓柱型液體分布器進(jìn)行分析，分別對孔的大小和折疊角度為β進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與速度檢測，結(jié)果表明當(dāng)液體分布器的孔直徑為8mm，折疊角度為15°時(shí)，其流體速度相對偏差值相對較小，僅為7.16%，顯著地提高了流體的流量均勻分布性。