酒窩型板式換熱器流動(dòng)換熱特性分析及優(yōu)化

劉 斌 耿士江 李政道 朱勝民 王子星 張 卓 陶文銓△

(1.浙江英特科技股份有限公司,安吉;2.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安)

0 引言

能源消耗越來越多,能源危機(jī)日益凸顯,并且對(duì)環(huán)境造成了巨大的影響。值得注意的是,在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,都以熱能的形式消耗了大量的能源。在中國,工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量占全社會(huì)能源消耗總量的65%左右,此外,中國70%的二氧化碳排放量都是這些與熱能消耗相關(guān)的過程產(chǎn)生的。除了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、生產(chǎn)工藝相對(duì)落后外,流動(dòng)阻力偏高、換熱效果不佳也是造成能耗高的重要原因,如何提高換熱系統(tǒng)的熱效率成為亟待解決的問題。因此,提高換熱器效率,對(duì)助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

在這種背景下,換熱強(qiáng)化技術(shù)得到了快速的發(fā)展,到20世紀(jì)90年代初,與換熱強(qiáng)化有關(guān)的文獻(xiàn)每年都以成倍的速度增長[1-2]。這些研究總體上可分為主動(dòng)技術(shù)與被動(dòng)技術(shù)2類。主動(dòng)技術(shù)通過消耗外部能量來影響流體流動(dòng),從而對(duì)換熱進(jìn)行強(qiáng)化,主要包括機(jī)械振動(dòng)、超聲波[3]及外部施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)等;被動(dòng)技術(shù)則通過擴(kuò)展表面[4]或增加湍流度來對(duì)換熱進(jìn)行強(qiáng)化,主要包括肋[5]、波紋、酒窩[6]、納米流體[7]等。酒窩作為被動(dòng)技術(shù)的一種,具有制造成本小、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),此外,它可以在低流動(dòng)阻力損失下大大提高換熱速率,因此被認(rèn)為是一種很有潛力的被動(dòng)技術(shù)。下面以球形酒窩為例對(duì)酒窩的換熱強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。圖1所示為一球形酒窩結(jié)構(gòu),在流體流經(jīng)該球形酒窩過程中,會(huì)產(chǎn)生回流,上游區(qū)域發(fā)生流動(dòng)分離,該區(qū)域換熱較弱;而在下游,會(huì)產(chǎn)生沖擊流動(dòng)區(qū)域、向上流動(dòng)區(qū)域及流動(dòng)再混合區(qū)域,在這些區(qū)域換熱較強(qiáng),因此整體上酒窩將對(duì)流動(dòng)換熱起到強(qiáng)化作用[8],要強(qiáng)化酒窩的換熱,應(yīng)當(dāng)朝著減小回流區(qū)、增大沖擊流動(dòng)區(qū)域的方向改進(jìn)。

圖1 酒窩內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)

許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究已經(jīng)證明了酒窩對(duì)于強(qiáng)化換熱的作用,以下是近幾年的研究成果。Katkhaw等人將45°橢球形酒窩交錯(cuò)布置在光滑平板上,結(jié)果表明,與光滑平板相比,換熱系數(shù)可以提高21.7%[9]。Vorayos等人將球形酒窩設(shè)置在光滑平板上,分別進(jìn)行錯(cuò)排與順排的性能對(duì)比,結(jié)果表明,與光滑平板相比,錯(cuò)排酒窩板和順排酒窩板換熱系數(shù)分別提高了26%和25%[10]。Shen等人將酒窩布置在燃?xì)廨啓C(jī)后緣冷卻通道內(nèi),結(jié)果表明,根據(jù)不同的結(jié)構(gòu),換熱增強(qiáng)范圍在30%～70%之間[11]。Isaev等人對(duì)酒窩深度與換熱效果及壓降間的關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,隨著酒窩深度的增大,換熱系數(shù)和壓降都會(huì)增大,但總換熱量的增加往往小于阻力損失的增加[12]。酒窩的凹凸分布也會(huì)對(duì)流動(dòng)換熱產(chǎn)生影響,Du等人研究了酒窩分布及旋轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)設(shè)置有短肋的通道換熱的影響,結(jié)果表明,在短肋的下游放置一個(gè)酒窩,會(huì)在酒窩的后部形成一個(gè)有利于換熱的小沖擊區(qū)域,可以借此強(qiáng)化換熱[13]。Li等人對(duì)比研究了橢圓形酒窩、球形酒窩和錐形酒窩內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及換熱情況,結(jié)果表明,與其他2種酒窩相比,橢圓形酒窩有著相近的換熱效果及相對(duì)更小的壓力損失[14]。

雖然酒窩具有較大的強(qiáng)化換熱潛力,但由于其強(qiáng)化是通過增強(qiáng)對(duì)流體的擾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,因此酒窩的使用勢(shì)必會(huì)帶來額外的壓降,如何平衡強(qiáng)化換熱與壓降提高的關(guān)系,在可接受的壓降范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足換熱需求的酒窩成為了研究的重點(diǎn)。

本文以某公司實(shí)際使用的板式換熱器為研究基礎(chǔ),基于該公司的板片結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況等信息,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上提出2種新的酒窩結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化其換熱效果,利用ANSYS商業(yè)軟件對(duì)其換熱效果進(jìn)行模擬分析,并以等泵功下性能評(píng)價(jià)指標(biāo)作為衡量其換熱強(qiáng)化效果的指標(biāo),驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)酒窩的換熱效果,可為改進(jìn)該換熱器設(shè)計(jì)提供參考。

1 原始板片分析

1.1 原始板片結(jié)構(gòu)分析

圖2a為換熱器原始板片一側(cè)俯視圖,其上主要有3種結(jié)構(gòu),分別為大型棒狀酒窩、圓臺(tái)酒窩及小型棒狀酒窩,局部放大圖見圖2b,3種酒窩的幾何結(jié)構(gòu)如圖2c～e所示,尺寸參數(shù)如表1～3所示。將板片旋轉(zhuǎn)90°并放置于原板片上,使2個(gè)板片的大型棒狀酒窩與圓臺(tái)酒窩相互接觸,即可形成熱通道,再將一原始板片放置其上即可形成冷通道,如圖3所示,通過這種方式不斷構(gòu)造冷熱通道,冷熱流體為交叉流動(dòng)。

表1 大型棒狀酒窩尺寸參數(shù) mm

表2 圓臺(tái)酒窩尺寸參數(shù) mm

表3 小型棒狀酒窩尺寸參數(shù) mm

圖2 板片結(jié)構(gòu)

圖3 冷熱流道

由于板片尺寸較大,同時(shí)考慮到幾何結(jié)構(gòu)的某種對(duì)稱性與周期性,為節(jié)省計(jì)算資源,取換熱器板間流道的1個(gè)典型部分進(jìn)行研究,以其流動(dòng)換熱特性來代表板間流道的整體換熱特性。此外大型棒狀酒窩及圓臺(tái)酒窩深度較大,其對(duì)流體流動(dòng)的影響遠(yuǎn)強(qiáng)于小型棒狀酒窩,因此忽略小型棒狀酒窩的不對(duì)稱分布,根據(jù)大型棒狀酒窩及圓臺(tái)酒窩的對(duì)稱特性劃分出3類流道,圖2a中1、2、3即為所劃分出的3類流道。

由于第2類流道占據(jù)了總流道67%的面積,因此對(duì)第2類流道進(jìn)行模擬計(jì)算。此外,由于該板片為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此冷熱流道結(jié)構(gòu)相同,對(duì)熱流道進(jìn)行模擬計(jì)算即可代表冷熱流道的換熱性能。

該換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及冷熱風(fēng)基本條件如表4所示。

表4 基本參數(shù)

1.2 物理模型

數(shù)值計(jì)算區(qū)域長度為1 205.0 mm、寬度為80.0 mm、高度為7.5 mm,如圖4所示。以熱流體板間換熱為研究對(duì)象,圖4a中深色部分為板間流體域,其長度為705 mm,兩側(cè)界面為對(duì)稱邊界;上下界面為第一類邊界條件,假定板片溫度為289.15 K,由于采用了給定壁溫的條件,因此不需要固體區(qū)域與流體區(qū)域的耦合計(jì)算。對(duì)于湍流換熱,根據(jù)文獻(xiàn)[15],邊界條件設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略;入口處為均勻速度入口,溫度為熱流體溫度,即308.15 K,由體積流量及板間距可得速度為2.48 m/s。為使仿真結(jié)果更接近工程實(shí)際,進(jìn)口沒有增加延伸段。為消除出口處回流對(duì)計(jì)算穩(wěn)定性的影響,在出口處增加了1段長度為500 mm的延長段,如圖4a中灰色部分所示,其兩側(cè)界面為對(duì)稱邊界,上下界面為絕熱邊界,出口處設(shè)為壓力出口。由于延長段沒有換熱,因此延長段不影響換熱量的計(jì)算。流動(dòng)雷諾數(shù)為4 871,為湍流流動(dòng),采用具有較高精度的K-ωSST方法進(jìn)行計(jì)算[14,16]。此外,采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)壓力-速度耦合,采用二階迎風(fēng)離散對(duì)流項(xiàng),采用中心差分離散擴(kuò)散項(xiàng)。

圖4 計(jì)算域

1.3 控制方程

對(duì)于穩(wěn)態(tài)、常物性、無內(nèi)熱源的不可壓縮流動(dòng)換熱問題,控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程[17]。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性考核

采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)流道進(jìn)行區(qū)域離散,原始板片流道的局部網(wǎng)格如圖5a所示,并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性考核,連續(xù)性方程、動(dòng)量方程與能量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別為誤差小于10-4、10-3及10-6。計(jì)算了網(wǎng)格數(shù)量分別為4 860萬、6 837萬、8 276萬個(gè)時(shí)的進(jìn)出口壓差,其結(jié)果如圖5b所示,最終選擇8 276萬個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖5 模擬計(jì)算網(wǎng)格

2 換熱計(jì)算

換熱量為

Φ=qmhcph(Th1-Th2)

(1)

式中Φ為換熱量,W;qmh為熱流體質(zhì)量流量,kg/s;cph為熱流體比定壓熱容,J/(kg·K);Th1為熱流體入口溫度,K;Th2為熱流體出口溫度,K。

對(duì)流換熱的平均溫差為[15,18]

(2)

式中 ΔTmh為對(duì)流換熱的平均溫差,K;Tw為板片壁面溫度,K。

面積平均對(duì)流換熱系數(shù)為

(3)

式中h為面積平均對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);A為等效投影面積,m2。

3 2種改進(jìn)板片熱工特性分析

3.1 改進(jìn)板片1的流動(dòng)換熱特性分析

Xie等人研究了酒窩內(nèi)突出結(jié)構(gòu)對(duì)換熱的影響,結(jié)果表明,在酒窩內(nèi)添加突出結(jié)構(gòu),會(huì)抑制上游區(qū)的回流,從而提高換熱效果[19]。因此,改進(jìn)板片1在小型棒狀酒窩內(nèi)兩側(cè)各添加1個(gè)球形突出結(jié)構(gòu),兩側(cè)的半球形結(jié)構(gòu)改為半橢球形結(jié)構(gòu),排列方式改為凹凸間隔排列。該小型棒狀酒窩的軸測(cè)圖如圖6a所示,其幾何視圖如圖6b所示,尺寸參數(shù)如表5所示。

表5 改進(jìn)板片1小型棒狀酒窩尺寸參數(shù) mm

圖6 改進(jìn)板片1小型棒狀酒窩

保持大型棒狀酒窩及圓臺(tái)酒窩深度不變,縮小其長度和寬度,使其在保持支撐作用的同時(shí)減小整體壓降,為小型棒狀酒窩的結(jié)構(gòu)改進(jìn)留出足夠的壓降空間,從而實(shí)現(xiàn)整體換熱效果的增強(qiáng),其結(jié)構(gòu)分別如圖7a、b所示,局部結(jié)構(gòu)的俯視圖見圖7c,尺寸參數(shù)如表6、7所示。改進(jìn)板片2的大型棒狀酒窩及圓臺(tái)酒窩也作相同處理。

表6 大型棒狀酒窩尺寸參數(shù)

表7 圓臺(tái)酒窩尺寸參數(shù)

圖7 改進(jìn)板片1

下面以Re=4 871的數(shù)值模擬情況為例,對(duì)改進(jìn)板片1的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行分析。圖7c區(qū)域流體流動(dòng)方向自下向上,分別對(duì)原始板片及改進(jìn)板片1中小型棒狀酒窩內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行分析,在區(qū)域1和區(qū)域4,酒窩內(nèi)流線分別如圖8a、b所示。

圖8 改進(jìn)板片1酒窩內(nèi)流線圖(Re=4 871)

由圖8可以看出,增加突出結(jié)構(gòu)后,減小了回流區(qū),且在突出結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生一部分額外的沖擊流動(dòng)區(qū)域,有利于強(qiáng)化換熱。

3.2 改進(jìn)板片2的流動(dòng)換熱特性分析

3.1節(jié)中已經(jīng)指出,在酒窩內(nèi)添加突出結(jié)構(gòu),可以抑制上游區(qū)的回流,起到強(qiáng)化換熱的作用,那么不妨將這種突出結(jié)構(gòu)進(jìn)行延長,使其橫貫整個(gè)小型棒狀酒窩,當(dāng)流體沿垂直于小型棒狀酒窩方向流動(dòng)時(shí),可以在每一個(gè)位置都起到強(qiáng)化換熱的作用。因此設(shè)計(jì)了改進(jìn)板片2的小型棒狀酒窩,圖9a、b分別為其軸測(cè)圖與幾何結(jié)構(gòu)圖,圖9c為改進(jìn)板片2局部俯視圖。表8給出了該小型棒狀酒窩尺寸參數(shù)。

表8 改進(jìn)板片2小型棒狀酒窩尺寸參數(shù) mm

圖9 改進(jìn)板片2

下面以Re=4 871的數(shù)值模擬情況為例,對(duì)改進(jìn)板片2的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行分析。圖9c區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)方向自下向上,當(dāng)小型棒狀酒窩整體作為突出結(jié)構(gòu)時(shí),在區(qū)域2和區(qū)域3,原始板片與改進(jìn)板片2中小型棒狀酒窩周圍流線分別如圖10a、b所示。

圖10 改進(jìn)板片2酒窩外流線圖(Re=4 871)

由圖10可以看出,在小型棒狀酒窩下側(cè)新增長條突出結(jié)構(gòu)后,會(huì)增加該小型棒狀酒窩整體的沖擊區(qū)面積,并且會(huì)破壞流經(jīng)該長條凹坑的流動(dòng)邊界層,有助于強(qiáng)化換熱。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用等泵功下能否強(qiáng)化換熱的準(zhǔn)則作為衡量綜合換熱效果的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)P,其計(jì)算式為[20-21]

(4)

式中Nu為努塞爾數(shù);f為達(dá)西摩擦系數(shù);下標(biāo)r表示作為參照的原始板片。

對(duì)原始板片及2種改進(jìn)板片進(jìn)行模擬計(jì)算,換熱結(jié)果如表9所示。

表9 換熱結(jié)果

5 Nu及P隨Re的變化

圖11顯示了2種改進(jìn)板片與原始板片對(duì)流換熱系數(shù)的對(duì)比及P隨Re的變化,可見在較寬的Re變化范圍內(nèi),2種改進(jìn)板片均可起到一定的強(qiáng)化換熱效果。

圖11 改進(jìn)板片強(qiáng)化換熱性能

最后需要指出,根據(jù)文獻(xiàn)[21],為了便于將強(qiáng)化結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的換熱特性作對(duì)比,計(jì)算強(qiáng)化結(jié)構(gòu)中流動(dòng)Re及Nu的特征尺度應(yīng)為相應(yīng)的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的當(dāng)量直徑,并不受強(qiáng)化結(jié)構(gòu)形式的影響。

6 結(jié)論

本文以某公司實(shí)際使用的板式換熱器為研究基礎(chǔ),對(duì)其板片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,并對(duì)板片上的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)(酒窩)進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上提出了2種改進(jìn)板片,并利用計(jì)算傳熱學(xué)的方法對(duì)這3種板片進(jìn)行了湍流換熱模擬,得到如下結(jié)論:

1) 改進(jìn)板片1在原始板片小型棒狀酒窩兩側(cè)各增加1個(gè)球形突出結(jié)構(gòu),換熱系數(shù)增大了14.14%,壓降增大了13.36%,P為1.09。

2) 改進(jìn)板片2在原始板片小型棒狀酒窩下側(cè)增加1個(gè)長條突出結(jié)構(gòu),換熱系數(shù)增大了10.94%,壓降增大了1.77%,P為1.10。

與原始換熱器板片相比,2種改進(jìn)板片均可達(dá)到較好的換熱強(qiáng)化作用,其中改進(jìn)板片2可以在壓降幾乎不變的基礎(chǔ)上將換熱系數(shù)提高10.94%,可為改進(jìn)該換熱器設(shè)計(jì)提供參考。