兩種流道截面形式板式換熱器傳熱性能及流動(dòng)流阻力性能數(shù)值模擬分析

張?jiān)?，李治?guó)，張濤

（蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730314）

1 前言

板式換熱器是由一系列通過(guò)壓型而具有一定波紋形狀的金屬薄板組裝而成的換熱器。與其他換熱器相比板式換熱器是一種高效、節(jié)能、緊湊的換熱設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%，在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由板式熱交換器組成的。國(guó)外自20 世紀(jì)30 年代開(kāi)始,板式換熱器的應(yīng)用已非常普遍。我國(guó)20世紀(jì)70年代, 開(kāi)始批量生產(chǎn)板式換熱器, 當(dāng)時(shí)大多用在食品、輕工、機(jī)械等部門。近年來(lái)板式換熱器的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)大到民用建筑的集中供熱、核電、電力、冶金及生物能源、船舶、石化、化工、食品、紡織、造紙、制藥、余熱發(fā)電、海水淡化及軍工等領(lǐng)域[1-12]。

板式換熱器主要的優(yōu)點(diǎn)有傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，但其也存在壓降大，流體動(dòng)能損失大等問(wèn)題。本文主要通過(guò)ANSYS-CFX流體分析軟件，分析板式換熱器三角形截面流道和梯形截面流道在相同板間流速下流道內(nèi)速度場(chǎng)，壓力場(chǎng)溫度場(chǎng)的分布情況，對(duì)比分析出兩種截面對(duì)流體流動(dòng)的影響，進(jìn)而確定板式換熱器合理的流道截面形式，為板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 計(jì)算模型參數(shù)及數(shù)學(xué)描述

2.1 模型參數(shù)

本文選取板式換熱器三角形截面流道和梯形截面兩種不同板型，進(jìn)行分析。流體在板式換熱器流道內(nèi)流動(dòng)具有周期性，為了降低后期軟件的計(jì)算量，本例選取板式換熱器板片主換熱區(qū)的一部分(100mmX100mm)進(jìn)行數(shù)值模擬，三角形截面板片對(duì)應(yīng)的換熱板片為板片A,梯形截面流道對(duì)應(yīng)的換熱板片為板片B，兩種不同截面流道對(duì)應(yīng)板片的相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 兩種不同截面流道對(duì)應(yīng)板片的相關(guān)參數(shù)

兩 種 不同截面流道在solidworks中建立的三維模型如圖1，圖2所示。

圖1

圖2

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 ANSYS-CFX的計(jì)算模型選取及控制方程

Ciofalo等利用有限元法和低雷諾數(shù)時(shí)的k-ε模型,對(duì)波紋板式換熱器過(guò)渡區(qū)和弱紊流狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,可為其他板式換熱器數(shù)值計(jì)算研究提供參考。本文選取由Yakhot和Orzag提出的RNG k-ε湍流模型[13]。RNG k-ε模型相比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,做了下述改進(jìn):

1)通過(guò)修正瑞流流動(dòng)粘度項(xiàng),對(duì)平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)流流動(dòng)情況加以考慮。

2)通過(guò)對(duì)S項(xiàng)改進(jìn),反映出主流的時(shí)均效應(yīng)率,從而使模型中產(chǎn)生項(xiàng)與流動(dòng)情況無(wú)關(guān),同時(shí)在相同的問(wèn)題中任然是空間坐標(biāo)的函數(shù)。

3)與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比, RNG k-ε模型為瑞流普朗特?cái)?shù)(Pr)提供了一個(gè)解析公式。

4) RNG k-ε模型對(duì)于高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大的流動(dòng)效果更好。

5) RNG k-ε模型提供考慮地低雷諾數(shù)的解析公式,可通過(guò)結(jié)合壁面函數(shù)計(jì)算低雷諾數(shù)效應(yīng)。

綜上所述, RNG k-ε模型更加適用于研究板式換熱器的瑞流問(wèn)題。RNG k-ε模型的瑞流動(dòng)能方程(k方程)和端流耗散方程(S方程)為:

RNG k-ε模型

式中Gk—表示由層流速度梯度產(chǎn)生的瑞流動(dòng)能;

Gk一表示由浮力產(chǎn)生的瑞流動(dòng)能;

G1ε=1.42, G2ε=1.68—模型常量;

αk,αε— k方程和ε方程的瑞流普朗特?cái)?shù);

Sk, Sε—根據(jù)條件自定義;

相關(guān)的控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

i方向直角坐標(biāo)系中的動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程

式中： U、V、W為流動(dòng)速度分量；

ρ為流體密度；

Р為壓力；

V為運(yùn)動(dòng)粘度，

Ui為i方向的速度分量；

a為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型、數(shù)量、尺寸大小是否合理是進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中非常關(guān)鍵的一步，網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到模擬過(guò)程的收斂速度和計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)［14］本研究采取ICEM 劃分網(wǎng)格,由于板式換熱器板間流道幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此網(wǎng)格類型主要采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。選定了網(wǎng)格類型,另一個(gè)重要的因素是網(wǎng)格的數(shù)量和分布。通過(guò)加密傳熱壁面的網(wǎng)格后模型的總網(wǎng)格數(shù)分別為：三角形截面流道模型1161491個(gè)，梯形截面流模型117252個(gè)。

3.3 邊界條件及假設(shè)

入口設(shè)置為流量入口，入口溫度設(shè)置為25℃，壓力統(tǒng)一設(shè)置為1.0Mpa。出口流速的選取不宜過(guò)高或者過(guò)低，流速高換熱系數(shù)高，但是流體的阻力降也急劇增大，流速過(guò)低流體就達(dá)不到湍流狀態(tài)且會(huì)形成較大的死角區(qū)一般板間平均流速為0.2～0.8m/s。[15]本研究流速選取出口流速為0.8m/s，。上下兩側(cè)邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。

由于研究的介質(zhì)為水，且流道內(nèi)溫差較小，沒(méi)有相變，故作以下假設(shè)：

(1) 流體各物理量不隨時(shí)間變化，為單相流體，定常流動(dòng)。

(2) 流體為不可壓縮的牛頓流體。

(3) 重力和浮升力影響忽略不計(jì)。

(4) 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)。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 兩種不同截面流道對(duì)流體流動(dòng)阻力的影響分析

通過(guò)CFX后處理程序分別模擬得到三角形截面流道和梯形截面流道內(nèi)流體流動(dòng)情況。圖3為三角形截面流道內(nèi)流體流線分布圖，圖4為梯形截面流道內(nèi)流體流線分布圖。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)三角形截面流道內(nèi)由于板片間觸點(diǎn)為點(diǎn)接觸，接觸面積較小，其觸點(diǎn)周圍流線較平滑，不宜形成漩渦，而梯形截面流道由于流道內(nèi)由于板片間觸點(diǎn)為線接觸，接觸面積較大，其觸點(diǎn)周圍流線擾動(dòng)較為劇烈，宜形成漩渦。

圖3

圖4

4.2 兩種不同截面流道板間壓降分析

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)三角形截面流道內(nèi)由于板片間觸點(diǎn)為點(diǎn)接觸，接觸面積較小，其觸點(diǎn)周圍壓力分布較為均勻，而梯形截面流道由于流道內(nèi)由于板片間觸點(diǎn)為線接觸，接觸面積較大，其觸點(diǎn)周圍壓力變化較大。通過(guò)軟件計(jì)算得到流體通過(guò)三角形截面流道后流體壓降損失為3808Pa,通過(guò)梯形截面流道后流體壓降損失為5321Pa。結(jié)果表明，梯形截面流道的壓降損失比三角形截面流道的壓降損失高約28%。圖5為三角形截面流道內(nèi)流體壓降分布圖，圖6為梯形截面流道內(nèi)流體壓降分布圖。

圖5

圖6

5 兩種不同截面流道對(duì)傳熱性能的的影響分析

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)三角形截面流道內(nèi)由于板片間觸點(diǎn)為點(diǎn)接觸，接觸面積較小，其觸點(diǎn)周圍流體速度變化較小，而梯形截面流道由于流道內(nèi)由于板片間觸點(diǎn)為線接觸，接觸面積較大，其觸點(diǎn)周圍流體速度變化較大。結(jié)果表明梯形截面流道觸點(diǎn)兩側(cè)及后方流體介質(zhì)速度變化非常強(qiáng)烈，能夠有效克服邊界層效應(yīng)，形成了較強(qiáng)的湍流，因此強(qiáng)化傳熱效果明顯。三角形截面流道觸點(diǎn)周圍介質(zhì)速度變化不大，因此強(qiáng)化傳熱效果不明，圖7為三角形截面流道內(nèi)流體速度矢量分布圖，圖8為梯形截面流道內(nèi)流體速度矢量分布圖。

圖7

圖8

6 結(jié)論

(1) 板式換熱器壓降損失及傳熱效果不僅與板片的波紋形式、波紋夾角、波紋深度有關(guān)而且還與流道截面形狀和板片間觸點(diǎn)的大小有關(guān)。

(2) 梯形截面流道由于板片觸點(diǎn)呈線接觸，接觸面積大，因此壓降損失較大。三角形截面流道由于板片觸點(diǎn)呈點(diǎn)接觸，接觸面積小，因此壓降損失較小。通過(guò)模擬結(jié)果表明，梯形截面流道的壓降損失比三角形截面流道的壓降損失高約28%。

(3) 梯形截面流道觸點(diǎn)兩側(cè)及后方流體介質(zhì)速度變化非常強(qiáng)烈，能夠有效克服邊界層效應(yīng)，形成了較強(qiáng)的湍流，強(qiáng)化傳熱效果明顯。三角形截面流道觸點(diǎn)周圍介質(zhì)速度變化不大，因此強(qiáng)化傳熱效果不明顯。