板式换热器性能的数值模拟

徐志明, 王月明, 张仲彬

(东北电力大学 能源与动力工程学院,吉林 132012)

板式换热器(PHE)具有新型、高效及紧凑等特点,近几十年得到了广泛的应用和发展.目前研究的板式传热器的性能主要体现在传热特性和压降两个方面,目的是提高传热效果和降低压降[1].Flavio等[2]通过数值模拟和试验两种方法对由平板构成的换热器进行了传热特性的研究,并描绘了流道内的温度场和速度场.Carla等[3]等运用数值模拟软件Fluent模拟了1/2人字形波纹区域流道内牛奶的流动与传热特性,认为在波纹接触点处的传热效果最好.崔立祺[4]对人字形波纹板式换热器的主流区进行了计算和分析,并利用计算结果拟合了各几何参数与努塞尔数、压力降之间的关系曲线.

本文根据BR0.015F型人字形板式换热器的实际结构尺寸建立了完整的几何模型.采用标准k-ε的RNG湍流模型进行了模拟计算,冷热流道采用相等流速,并通过计算得到板式换热器进、出口的压降和温差,然后用试验测量结果验证模拟计算结果的准确性.

1 换热器的数值计算模型

1.1 物理模型

研究对象为BR0.015F型人字形板式换热器,其特征参数列于表1.板片的材料为304不锈钢[5],比热容 c=6.44×102J/(kg◦K),密度 ρ=7 600 kg/m3,导热系数 λ=644 W/(m◦K).图1为冷热双流道流动与传热计算模型.从图1可知:冷热流体单边逆向[6]流动,上侧流道为热流体,A端流入,B端流出;下侧流道为冷流体,C端流入,D端流出.

1.2 相关假设

由于研究的传热问题没有相变,流道内的温差较小,故进行如下假设:①流动各物理量不随时间变化,设为定常流动;②流体为不可压缩的牛顿流体;③重力和浮升力的影响忽略不计;④忽略流体流动时的黏性耗散作用所产生的热效应.

1.3 数学模型

相关的控制方程如下:

表1 BR0.015F型换热器的特征参数Tab.1 Characteristic parameters of BR0.015F p late heat exchanger

图1 冷热双流道流动与传热计算模型Fig.1 Calculation model for flow and heat transfer in cold and hot flow channels

连续性方程

式中:u、v和w分别为x、y和z方向上的速度分量,m/s.

动量方程

式中:i为方向;U i为i方向上的速度分量,m/s;ρ为流体密度,kg/m3;p为压力分量,Pa;μ为动力黏度,kg/(m◦s).

能量守恒方程

式中:T为温度,K;α为流体热扩散率,m2/s.

RNG k-ε模型

式中:Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;t为瞬时值,℃、C2ε均为经验常数;αk 和 αε分别为湍动能 k和耗散率ε对应的 Prandtl=1.42;C2ε=1.68;Cμ=0.084 5;αk=αε=1.39;μeff=

1.4 边界条件

1.4.1 进出口边界条件

进口采用速度入口条件,进口温度采用试验测得的数据,速度由流量计算得到;出口采用压力出口条件,其值由试验测量得到.

1.4.2 壁面条件

外部边界为无滑移速度边界条件,冷热流道相接触的面设为传热面,其余各面设为绝热边界条件.

1.4.3 网格划分

通过Pro/e软件建立模型,并采用Gambit软件进行网格划分.由于传热器内部结构复杂,先将模型按进出口、分流区和波纹传热区分割成10部分,并各自填充网格,然后按梯次加密网格.当平均Nu开始稳定、不再发生变化时,此时网格密度已经足够满足模拟精度的要求.

2 数值模拟结果与分析

笔者对四平巨元瀚洋板式换热器厂提供的BR0.015F型人字形板式换热器进行了数值模拟,为了满足工业中的应用和为开发设计提供参考依据,选取板式换热器的板间流速在0.2～0.6m/s的工况进行研究.

2.1 板式换热器流道内的速度场、温度场和压力场

图2为BR0.015F型板式换热器流道内 y=0.1mm截面上的速度分布.图2右侧为流体进口,左侧为出口.在板片边缘和中间板片与板片接触点附近的流速较慢,传热效果较差.从图2可知:在进出口分配区域及分配区域附近的传热区存在明显的流动分配不均匀,因此必然导致板片宽度方向上的传热不均匀.

图2 BR0.015F型板式流道内y=0.1mm截面上的速度分布Fig.2 Velocity distribution of section y=0.1 mm in flow channel of BR0.015F plate heat exchanger

图3为冷热流道接触面上的局部速度分布,图4为换热器的局部流线分布.换热器的主要流动形态有2种[7]:十字流和曲折流.流体先在一个板片上沿沟槽流动,当到达板片的边缘时,被反射折转到通道另一个板片的沟槽中流向另一边缘,这种形态称为十字交叉流.流体仍沿沟槽流动,但折返点不再出现在板片的左、右两侧,而是发生在波纹的触点,流动呈连续、并行的小波纹状,这种形态称为曲折流.

图3 冷热流道接触面上的局部速度分布Fig.3 Local velocity distribution on the interface of cold and hot flow channels

图4 换热器的局部流线分布Fig.4 Local stream line distribution in the heat exchanger

从图3和图4上已经反映出从十字交叉流向曲折流过渡的特征,但流型仍为十字交叉流,这种流动有助于增大湍流程度,增强传热效果,但同时流道内的压力损失也较大.

图5为波纹传热面上的温度分布.在图5下侧左端为热流体入口,右端为出口,右上侧为低温区,左下侧为高温区.从图5可知:进口分配区域附近的波纹板面沿宽度方向的温差较大.此外,在进出口连线一侧比另一侧温度高,在流体出口一侧的上端可发现明显的传热“死区”.同时,从图5可看到由于流体分配不均而导致的流道内的温度分布不均.

图5 波纹传热面上的温度分布Fig.5 Temperature distribution on corrugated heat transfer surface

图6 冷热流道接触面上热侧的压力分布Fig.6 Pressure distribution at hot side of interface of cold and hot flow channels

图6、图7分别为冷热流道接触面上热侧的压力分布和冷侧的压力分布.图6上侧左端为热流体入口,右端为出口.图7下侧右端为冷流体入口,左端为出口.图6右侧代表高压区,图7右侧代表低压区,图中等压线的分布与界面纵向稍有倾斜,且在出口分配区域倾斜略有增大,这说明在流道内的流速分布是不均匀的.

图7 冷热流道接触面上冷侧的压力分布Fig.7 Pressure distribution at cold side of interface of cold and hot flow channels

2.2 模拟数据的处理

冷热流体的对流传热系数可用相似准则方程表示为:

分别用1和2表示热流体和冷流体,两流体的对流传热系数可以进一步表示为:

传热热阻方程为:

对模拟计算数据进行线性分析,得到冷热流体对流传热系数的准则方程:

式(10)的适用范围为 1 280≤Re≤3 830,其结果相关性为99.45%.

图8为总传热系数随Re变化的曲线,图9为压降随Re变化的曲线.从图8可知:随着流体Re的增大,总传热系数k也增大,但趋势逐渐趋于平缓.从图9可知:随着流体Re的增大,冷热流体通道的阻力压降Δp均增加,且增加的趋势越来越明显.因此,在选择和使用换热器时,应根据不同的工况要求综合考虑,以寻求传热性能与阻力特性之间最优化的关系,达到传热性能与经济性的最优化.

图8 总传热系数随Re的变化Fig.8 Total heat transfer coefficient vs.Reynolds number

图9 压降随 Re的变化Fig.9 Pressure drop vs.Reynolds number

3 计算方法的验证

本文数值模拟验证所需的试验数据均来自于BR0.015 F型人字形板式换热器试验测量得到的数据,试验原理和试验方案参见《板式换热器传热和阻力特性的实验研究》[8].在试验过程中,笔者采用便于操作的等流速法,即冷热两个流道进口速度保持一致,在模拟计算过程中考虑了温度对流体物性参数的影响.试验与模拟数据计算结果的对比列于表2.在表2中的每一个工况,上侧为热流体通道,下侧为冷流体通道.模拟计算得到的进出口温差和压降与试验测量值间的误差均小于6%.

4 结 论

(1)模拟计算得到的板式换热器进出口温差和压降与试验测量值的误差均小于6%.

(2)由于板式换热器进口分配区域的结构布置不合理,导致流体在流道内的流动分配不均匀.

(3)因流体流动的分布不均造成波纹区域温度分布不均,导致在板式换热器进出口的另一侧出现明显的传热“死区”.

(4)板式换热器的总传热系数和流道阻力压降均随着流体流速的增大而增大.

(5)在模拟计算过程中,对冷热流道采用相同流速,并充分考虑了流体各个状态的物性参数,具有工程实际意义.

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