用于燃料電池散熱系統(tǒng)的板翅式換熱器的傳熱特性數(shù)值模擬

柴文杰 靳惠明 許鎰濠

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)成為許多家庭出行時(shí)首選的交通方式，而汽車(chē)數(shù)量的增長(zhǎng)導(dǎo)致了能源消耗與環(huán)境污染，迫切需要新能源車(chē)代替?zhèn)鹘y(tǒng)車(chē)[1]。目前，大部分質(zhì)子交換膜燃料電池車(chē)散熱器都采用管帶式散熱器，對(duì)于板翅式換熱器在燃料電池車(chē)上的研究較少。板翅式換熱器傳熱效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，清潔度高，非常適用于燃料電池。

板翅式換熱器翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，會(huì)對(duì)換熱能力及流動(dòng)特性產(chǎn)生影響，因此研究翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱器的應(yīng)用具有重要意義。蔣慶峰等研究了低溫氦氣在鋸齒板翅式換熱器中的流動(dòng)、換熱特性，提出氦氣在鋸齒翅片中的傳熱與阻力關(guān)聯(lián)式[2]。張國(guó)興等設(shè)計(jì)了一套可以對(duì)板翅式換熱器翅片阻力進(jìn)行快速檢測(cè)的系統(tǒng)[3]。JIAN WEN 等對(duì)不同翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)板翅式換熱器的強(qiáng)度影響進(jìn)行了模擬分析與實(shí)驗(yàn)[4]。楊輝著等利用Kriging 響應(yīng)面，應(yīng)用遺傳算法，對(duì)板翅式換熱器鋸齒翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[5]。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

圖1 為鋸齒翅片的物理模型，其中l(wèi)為翅片切口長(zhǎng)度，h為翅高，t為翅厚，s為翅片節(jié)距。翅片總長(zhǎng)度固定100 mm，切口長(zhǎng)度固定5 mm，鋸齒形翅片的排布呈周期性，因此取一個(gè)周期為計(jì)算模型[6]。圖2為簡(jiǎn)化后一個(gè)周期的計(jì)算模型，采用單一變量法設(shè)置基準(zhǔn)模型，翅高9 mm，翅厚0.17 mm，節(jié)距1.7 mm。在此基準(zhǔn)模型上分別對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化進(jìn)行模擬，翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1 所示。

表1 鋸齒翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

圖1 鋸齒翅片物理模型

圖2 一個(gè)周期的翅片模型

1.2 邊界條件

為使流體充分發(fā)展，增加入口與出口延長(zhǎng)段，入口為速度入口，出口為壓力出口。燃料電池入口溫度一般低于70 ℃，出口溫度低于80 ℃，隔板上下兩面設(shè)置為恒溫壁面，溫度取出入口平均溫度75 ℃。模型左右兩側(cè)均為周期性邊界條件，上下兩面為對(duì)稱性邊界條件。選擇RNG k-ε模型，采用SIMPLE算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算[7]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文采用傳熱系數(shù)hc評(píng)估翅片的傳熱能力，壓降?p評(píng)估翅片的流動(dòng)性能，綜合性能系數(shù)Ftep評(píng)估翅片的綜合性能，計(jì)算公式為

式中：m為流體的質(zhì)量流量，kg·s-1；Cp為流體的定壓比熱，kJ·kg-1·K-1；A為傳熱面積，m2；?tm為對(duì)數(shù)平均溫差；Tout為流體出口溫度，K；Tin為流體入口溫度，K。

式中：j為傳熱因子；f為摩擦因子；Nu為努塞爾數(shù)；Re為流體的雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；?p為壓降，Pa；Dh為翅片的水力直徑，m；ρ為流體的密度，kg·m-3；v為流體速度，m·s-1；Le為翅片總長(zhǎng)度，m；hc為傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1。

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性

對(duì)基準(zhǔn)模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。由圖3 可知，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，摩擦因子與傳熱因子逐漸趨于平穩(wěn)。綜合考慮精度與計(jì)算速度，決定采用556 萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行之后的模擬。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.5 模型驗(yàn)證

將基準(zhǔn)模型不同風(fēng)速下得到的傳熱因子、摩擦因子與Manglik 和Bergles 的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算得出的傳熱因子與摩擦因子進(jìn)行對(duì)比。圖4 為模擬值與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式得出的數(shù)值對(duì)比，可以看出模擬值的趨勢(shì)與MB實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的趨勢(shì)基本一致，最大誤差為12.3%，最小誤差為1.4%，證明模擬結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性，可以進(jìn)行后續(xù)的模擬分析。

圖4 摩擦因子、傳熱因子數(shù)值對(duì)比

2 結(jié)果分析

2.1 翅片高度

由圖5 可知，隨著風(fēng)速的升高，翅片的換熱系數(shù)均呈上升趨勢(shì)，翅高的減小會(huì)提高翅片的換熱系數(shù)，當(dāng)高度為7 mm 時(shí)換熱系數(shù)的增大尤其明顯。由圖6可知，隨著風(fēng)速的增加翅片的壓降大幅增大，翅片高度的降低導(dǎo)致壓降升高，但是幅度較小，因此翅高對(duì)壓降影響并不大。由圖7 可知，翅高7 mm 時(shí)綜合性能遠(yuǎn)超其余翅片，為翅高的最佳選擇參數(shù)值。實(shí)際選擇時(shí)，還應(yīng)根據(jù)風(fēng)扇的靜壓權(quán)衡壓降進(jìn)行選擇。

圖5 不同翅片高度的換熱系數(shù)曲線

圖6 不同翅片高度的壓降曲線

圖7 不同翅片高度的綜合系數(shù)曲線

2.2 翅片節(jié)距

由圖8 可知，換熱系數(shù)隨著節(jié)距的減小而升高，升高幅度逐漸增大，節(jié)距為1.4 mm 時(shí)換熱系數(shù)最大。由圖9 可知，節(jié)距的減小導(dǎo)致壓降大幅升高，這是因?yàn)楣?jié)距的減少會(huì)造成流體流動(dòng)面積減小，流動(dòng)損失增大，可見(jiàn)節(jié)距對(duì)翅片壓降影響很大。由圖10 可知，隨著節(jié)距的減小，翅片的綜合性能因子越來(lái)越大，增長(zhǎng)的幅度越來(lái)越小，減小至2 mm 后幾乎沒(méi)有增加，因此選擇節(jié)距時(shí)不應(yīng)過(guò)小，綜合考慮最佳節(jié)距為2 mm，此時(shí)翅片具有較好的換熱性能、流動(dòng)性能與綜合性能。

圖8 不同翅片節(jié)距的換熱系數(shù)曲線

圖9 不同翅片節(jié)距的壓降曲線

圖10 不同翅片節(jié)距的綜合系數(shù)曲線

2.3 翅片厚度

由圖11 可知，換熱系數(shù)隨著翅厚的增加而升高，升高幅度逐漸增加，在厚度為0.3 mm 時(shí)取得最大值，這可能是因?yàn)槌岷竦脑黾右鸪崞瑩Q熱面積的增大。由圖12 可知，翅厚的增加會(huì)大幅提升壓降，翅厚為0.3 mm 時(shí)的壓降幾乎為0.2 mm 時(shí)的2 倍，因此通過(guò)增加厚度追求換熱能力可能會(huì)得不償失。由圖13 可知，翅片的綜合性能因子隨翅厚的降低逐漸升高，在厚度為0.2 mm 以下時(shí)增加的幅度非常小，綜合考慮翅厚0.2 mm 為最佳，此時(shí)壓降不高且綜合性能較好。

圖12 不同翅片厚度的壓降曲線

圖13 不同翅片厚度的綜合系數(shù)曲線

3 結(jié)論

（1）翅高降低，換熱系數(shù)呈上升趨勢(shì)，當(dāng)翅片高度為7 mm 時(shí)，換熱系數(shù)最大，翅高對(duì)壓降影響不大。

（2）節(jié)距減小，換熱系數(shù)隨之升高，升高幅度基本一致，節(jié)距為1.7 mm 換熱系數(shù)最大。節(jié)距減小會(huì)引起壓降大幅度升高，選擇節(jié)距時(shí)需謹(jǐn)慎，這里最佳節(jié)距為2 mm。

（3）翅片厚度增加，換熱系數(shù)大幅升高，厚度為0.3 mm時(shí)換熱系數(shù)最大，此時(shí)翅片壓降幾乎為0.2 mm 時(shí)的2 倍，翅厚0.2 mm 為最佳。