板式換熱器板片傳熱性能與壓降的研究

張官正+++李治國(guó)+++王義翠+++朱海舟+++方玲+++李效波

摘 要：以板式換熱器的三維板片為研究對(duì)象，分別用流體力學(xué)和傳熱學(xué)理論計(jì)算了該板紋的傳熱系數(shù)和壓降，通過(guò)傳熱系數(shù)和壓降的理論分析，以期探尋模擬出來(lái)的流體流動(dòng)情況與實(shí)際所得是否吻合。結(jié)果表明：傳熱系數(shù)隨著速度的增大而增大，得到最佳傳熱速度值為0.5m/s；壓降隨著速度的增大而增大，而在速度變化不大時(shí)，壓降的增速比較緩慢；從模擬的云圖可得到觸點(diǎn)壓力的變化情況和流體流動(dòng)的漩渦流向。

關(guān)鍵詞：板式熱交換器；人字形板紋；雷諾數(shù)；傳熱系數(shù)；壓降

前言

隨著工程領(lǐng)域?qū)Π迨綋Q熱器傳熱效率、節(jié)能、環(huán)保等要求的日益提高，板式換熱器板片結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分析對(duì)研發(fā)新型板式換熱器至關(guān)重要。

關(guān)于板式換熱器換熱性能的研究一直比較活躍。徐志明等[1]采用流體力學(xué)軟件對(duì)人字形板式換熱器的雙流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到流體流動(dòng)與換熱的不均勻性，且總傳熱系數(shù)與流阻隨流速的增大而增大。張晶等[2]通過(guò)建立板式換熱器整板與局部的雙流道計(jì)算模型，用CFD軟件對(duì)不同波紋傾角、波紋截距進(jìn)行模擬分析，得到最佳的波紋傾角在60°左右。上述研究對(duì)板式換熱器的流動(dòng)狀態(tài)、傳熱和壓降場(chǎng)做了比較完整的分析。

本文采用流體力學(xué)與傳熱學(xué)的相關(guān)知識(shí)分析了板式換熱器的壓降和傳熱情況，運(yùn)用流體軟件FLUENT對(duì)板式換熱器的板紋雙流道模型進(jìn)行數(shù)值研究，結(jié)合理論計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以期探明模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 板片結(jié)構(gòu)

板式換熱器板片的組成部分主要有：導(dǎo)流區(qū)域、換熱區(qū)域、懸掛口、膠墊槽及角孔。板片作為板式換熱器傳熱的核心元件，波紋設(shè)計(jì)的好壞決定著板式換熱器技術(shù)水平的高低，流體的分配均勻性及湍動(dòng)程度是影響傳熱的主要因素，兩板片疊加會(huì)形成很多觸點(diǎn)，觸點(diǎn)越多，湍動(dòng)越強(qiáng)烈，換熱效果越好。而波紋的角度、寬度、間距直接影響觸點(diǎn)的多少，間接的影響板片的傳熱性能。鑒于分析的復(fù)雜性，只考慮整板的一部分雙流道板型進(jìn)行研究，得到整體的換熱趨勢(shì)。

2 傳熱與壓降的理論分析

2.1 傳熱系數(shù)的計(jì)算

流體在板式換熱器的流動(dòng)過(guò)程中，一般會(huì)存在流體傳熱熱阻、板片熱阻及污垢熱阻。為了使分析簡(jiǎn)單化，采用雙向流對(duì)板式換熱器的傳熱性能進(jìn)行研究。流體在雙流道板片中流動(dòng)時(shí)，會(huì)形成湍流，通常用下式來(lái)計(jì)算板式換熱器沿整個(gè)流程的平均對(duì)流傳熱系數(shù)：

在流體粘度比較大的情況下，結(jié)合Sieder-Tate關(guān)聯(lián)形式，用不均勻物性影響的修正系數(shù)得：

（2）

實(shí)際上，關(guān)聯(lián)式中的各個(gè)參數(shù)都要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，不同的板式換熱器的各項(xiàng)系數(shù)都不一樣。

采用平板傳熱的理論，此傳熱系統(tǒng)由熱流體與板片之間的換熱過(guò)程、板片的導(dǎo)熱和冷流體與板片之間的換熱過(guò)程組成。穩(wěn)定時(shí)刻通過(guò)板片的熱流量可以用熱阻的形式表示，由于板片兩側(cè)的換熱和導(dǎo)熱面積相同，可寫(xiě)為如下形式：

（3）

一般情況下，涂層是很薄的，由于涂層的導(dǎo)熱系數(shù)很小，從而導(dǎo)致熱阻很大，通常不能忽略。為了研究的方便，不會(huì)考慮涂層熱阻，假設(shè)忽略冷熱流體側(cè)的污垢層熱阻，式（3）可變?yōu)椋?/p>

（4）

其中冷熱流體的換熱系數(shù)不易確定，為了便于計(jì)算，普朗特等理論專(zhuān)家認(rèn)為：流道厚度可分為流動(dòng)邊界層厚度和溫度邊界層厚度。根據(jù)傅里葉定律，在已知溫度邊界層厚度后，可求得在特征長(zhǎng)度內(nèi)的表面平均傳熱系數(shù)，結(jié)合努塞爾數(shù)的對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程，可得：

（5）

（6）

（7）

2.2 壓降的計(jì)算

在無(wú)法確定歐拉準(zhǔn)則方程時(shí)，一般采用有摩擦系數(shù)的關(guān)聯(lián)式來(lái)計(jì)算，板式換熱器的壓降通常有兩部分組成：角孔壓降和流道壓降。即：

（8）

流道壓降是流體從角孔進(jìn)入到板間通道，而后又從另一角孔流出的過(guò)程，克服流道阻力形成壓降。

（9）

角孔壓降是流體流過(guò)角孔為克服阻力而形成的壓降。

（10）

鑒于公式中摩擦系數(shù)很難確定，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法加以分析。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中不存在角孔壓差，故可省略，此公式可大體上計(jì)算出壓差的變化趨勢(shì)。

3 傳熱與壓降的數(shù)值模擬[3-4]

鑒于板式換熱器流體流動(dòng)的復(fù)雜性，涉及湍流的邊界層問(wèn)題，要具體分析湍流的變化情況，網(wǎng)格的劃分質(zhì)量很關(guān)鍵。通常采用ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件來(lái)劃分網(wǎng)格，用壁面函數(shù)法來(lái)估算出速度和第一層的網(wǎng)格高度，得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格。

數(shù)值模擬所得的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化曲線(xiàn)如圖1所示，數(shù)值模擬所得的壓降變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

4 分析數(shù)據(jù)

為了更好的分析板式換熱器的傳熱性能，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到板式換熱器水與水之間的傳熱系數(shù)在2900～4650之間，而后分析圖1的模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)值在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)，可驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的正確性。從圖中的數(shù)據(jù)分析出，最佳的流動(dòng)速度為0.5m/s。

流體在流入板片波紋流道的過(guò)程中，壓能不斷的轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，部分動(dòng)能在板波紋中產(chǎn)生漩渦而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能耗散掉，在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)板波紋后，壓力不斷的減小，在流過(guò)最后一個(gè)板波紋后，壓差降到最低。模擬壓降在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的某一個(gè)范圍內(nèi)，驗(yàn)證壓降數(shù)據(jù)的正確性。從圖中的數(shù)據(jù)分析得到，在速度變化不大的情況下，壓差的變化不是很明顯，說(shuō)明壓差隨速度有很大的關(guān)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）板式換熱器的傳熱系數(shù)隨流體流動(dòng)速度的增大而增大，且速度達(dá)到0.5m/s以后，傳熱系數(shù)變化較為緩慢，可見(jiàn)流體速度為0.5m/s為最佳傳熱速度，換熱性能最佳。（2）由于模擬的板式換熱器板片的換熱面積較小，在改變的速度變化不大的情況下，壓差的變化不是很明顯，而壓差隨冷水速度的增大而增大。（3）模擬所得的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)理論所得的數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本吻合。

參考文獻(xiàn)

[1]徐志明，王月明，張仲彬.板式換熱器性能的數(shù)值模擬[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011，31（3）：198-202.

[2]張晶，文玨，趙力，等.基于計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的板式換熱器傳熱與流動(dòng)分析及波紋參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，（12）：137-145.

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