高低板式换热器板片的换热特性分析及优化

白桂培，叶 莉，岳 晨，范菊兰，顾杨怡，何纬峰，韩 东，蒲文灏

(1．南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏省航空动力系统重点实验室，江苏 南京 210016;

2．南通中船机械制造有限公司，江苏 南通 226000)

0 引言

工业化的迅速发展和人们生活水平的飞速提高，使得人们对能源的需求量急剧增大，在改变能源结构，开发新能源的同时，还应提高能源利用率。目前，各类工业企业中有大量的换热设备，但普遍存在能耗高、效率低的现象，因此对这些设备的节能技术研究具有重要意义。

换热器是大型船舶上必不可少的热交换设备，由于板式换热器具有换热量大，体积小，换热效率高等优点，所以广泛应用于船舶工业中。但是板式换热器在运行过程中消耗的泵功率较大，运行费用和耗能较高。因此要对其流动和换热特性进行分析研究，在提高换热能力的同时降低流动阻力，节约能耗。换热器的板片式组成换热器的重要部件，其性能对于整个换热器的性能起关键作用。

板式换热器的研究方法主要有实验和数值模拟，由于数值模拟能够降低成本、节约时间、灵活计算，所以被广泛应用于板片设计和优化中［1－3］。评价板式换热器性能的方法很多，一般根据数值模拟结果中Nu 数和阻力系数f 随雷诺数Re 的变化情况分析其换热与阻力特性，但是为了衡量换热能力和流动阻力对换热器性能的综合影响可用综合传热性能参数j/f 来评价其特性［4－6］。盛洁、Mohammed 等人［7－8］分别对不同波纹角度、波纹高度的人字形换热板片进行数值模拟，分析它们对板式换热器内部流体的流动状态和传热特性的影响。Pehlivan、Li等［9－10］对介质流体进入平直波纹板进行实验，测试流道的几何参数对换热与流动阻力的影响，通过实验和模拟的双重验证进而发现可以提高板式换热器对流换热。

本文根据数值模拟的结果，分析了波纹倾角、波纹高度对曲折波纹板式换热器的换热性能和流动阻力损失的影响，并且对原板式换热器进行优化，通过Nu 数、阻力系数f 和综合传热性能参数j/f 来比较两种板式换热器的性能，初步探讨了优化设计板式换热器的研究方向。

1 数值计算模型

1．1 物理模型

波纹倾角的结构如图1 所示，波纹高度的结构如图2，进口截面上的波纹本来是波长为12．5 mm的周期正弦波。定义从坐标(0，0，0)起第一周期波纹的波高为h1，第二周期波纹的波高为h2，定义a为第二周期波纹高度和第一周期波纹高度之比即h2/h1;则原曲折波纹板为a=1。

图1 曲折波纹板片波纹角度β 的示意图

图2 进口截面波纹示意图

1．1．1 不同波纹角度的模型

由于曲折波纹板片是对称型板片，为了节省计算成本，本文选取小面积的中心主流区域建立模型。分别对不同波纹角β 的板片进行建模，尺寸大小为75 mm×75 mm。具体模型图如图3(a)～(g)所示。

图3 不同波纹角度的模型

1．1．2 不同波纹高度的模型

由于波纹板片的对称性，为了节约计算资源，本文截取板间局部流道模型。模型尺寸为60 mm ×60 mm，图4(1)～(11)分别是不同波纹高度a 所对应的模型图，图4(12)是a=0．4 时纵向截面图。

图4 a 不同时的模型图

1．1．3 原曲折波纹板和高低板的模型

对原模型进行设计，选择波纹角度为40°，纵向波高比a=0．4，其余参数保持不变的高低板作为新型板片。分别对两个板片进行建模，模型尺寸与原有板片流体主流换热区大小相同，为350 mm ×200 mm。

1．2 边界条件

(1)进口流速为0．5 m/s，进口温度取307 K，并设定了相应的当量直径和湍流强度;

(2)出口为压力出口;上、下壁为恒壁温300 K，材料为不锈钢;两侧固壁设置为绝热条件。

1．3 数值计算方法

利用Fluent 软件数值来求解对流换热过程的控制方程，采用SIMPLE 算法求解速度压力方程，控制方程中的对流项和扩散项的离散均采用二阶迎风差分离散格式，湍流模型采用标准k －ε 模型，通过GAMBIT 软件构建体模型并进行网格划分。

1．4 不同准则参数定义

(1)雷诺数Re 的定义

式中

Vmax——进口处流体最大速度。

(2)平均努赛尔数的定义

(3)阻力因子的定义

式中

Δp——进出口压差;

L——进出口间距。

(4)综合性能参数:采用无量纲因子j/f 表示。其中j=St pr23，St 为斯坦顿数。

2 数值计算及结果分析

2．1 不同波纹角板片的流动和换热特性比较

图5 是曲折波纹板Nu 数和压力损失随波纹角β 的变化情况，当β 从20°变化到40°时，Nu 数增加1 686．5，Δp 增加490．9 Pa;当β 从40°变化到60°时，Nu 数增加844．4，而Δp 却增大了3 009．4 Pa。由此可知，当波纹角β ＞40°时，Nu 数随着β 增大的梯度减小，压力损失却急剧增大。因此增大β 能够提高板式换热器的换热能力，但同时也会增大压力损失。

图6 为板片的综合性能参数随着β 的变化情况，随β 增大，板片的综合性能从0．005 逐渐降低到0．000 25。当β ＞40°后，综合性能参数下降的较为明显。因此对原始模型进行改进设计时，一般选取波纹角度β 为40°作为优选角度。

2．2 不同波纹高度板片的流动和换热特性比较

改变波纹高度，整个流道的接触点降低，压力损失急剧下降，因此我们可以通过改变波纹高度来控制压力损失。图7 为同一流速下，Nu 数随着波高比a 变化的曲线图。随着a 的增加，Nu 数约从19．5逐渐增大到119．8，换热效果逐渐增强;但当a ＞0．4的情况下Nu 增加的趋势变小，板片的换热效果变化缓慢。

由图8 ～图9 可以看出，随着波高比a 的增加，模型的压力损失△p 增大，但是起初增长缓慢，当a ＞0．6 时急剧增加，而摩擦系数f 先急剧增大，当a ＞0．6 时增加幅度变缓。

图5 不同波纹角度下的Nu 数和压力损失曲线图

图6 不同波纹角度下的综合性能参数曲线图

图7 同一流速下Nu 数随a 变化的曲线图

图8 同一流速下Δp 随a 变化的曲线图

图9 同一流速下f 随着a 变化的曲线图

图10 同一流速下j/f 随a 变化的曲线图

为了平衡板式换热器换热性能和压力损失之间的关系，可以用换热因子与阻力系数之比来衡量板式换热器的综合性能。从图10 可以看出，同一流速下，随着波高比a 的增大j/f 先增大后减小，当a 小于0．4 时，j/f 值随着a 的增大而增大，当a 约为0．4时达到最大值，当a 大于0．4 时，j/f 随a 的增大而减小，但下降的幅度较缓。因此，选用a =0．4 作为最优波高比，并在此基础上设计新板片的模型，对其进行研究分析。

2．3 高低板与原板的流动和换热特性比较

由图11 可以看出，随着流速的增加，模型的Nu都增加，这与强化换热机理的方式相符合，即增加流体流速可以增加换热性能。由图11 和图13 可以看出，同一流速下高低板片Nu 数高于原板片的Nu数，在流体流动的过程中由于波纹角度的改变使换热效果得到提高。同一流速下换热性能提高了15%左右。

对比不同流速下两个模型的f 曲线图可以发现，阻力系数f 随流速的增加而减小。同一流速下比较两个模型，发现高低板片的阻力系数明显比原板片小，进一步验证了优化设计的正确性。比较两个模型的综合性能参数，发现综合性能参数随流速的增加而减少。同一流速下，新模型的综合性能参数高于原板片。

图11 高低板和曲折波纹板的Nu 数随流速的变化曲线

图12 高低板和曲折波纹板的f 随流速的变化曲线

图13 高低板和曲折波纹板的j/f 随流速的变化曲线

3 结论

本文分别对曲折波纹板片和高低板片板式换热器的流动和换热性能进行了数值研究，并对波纹角度β 和波纹高度比a 进行了优化设计，综合考虑板片的流动换热特性，数值研究表明当设计波纹角度β=40°，纵向波高比a=0．4 时，同一流速下，新板片的换热性能约提升了15． 4%，阻力系数升高16.2%，综合性能参数提高了22．3%左右，优化得到的新板片综合性能得到了显著改善。

［1］李想．板式换热器传热的数值模拟及波纹板参数优化［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2013．

［2］徐志明，王月明，张仲彬．板式换热器性能的数值模拟［J］．动力工程学报，2011，31(3):198 －202．

［3］陈昊阳．板式换热器降膜蒸发传热过程的数值模拟研究［D］．武汉:华中科技大学，2013．

［4］夏翔鸣，等． 波纹通道换热特性的三维数值研究和场协同分析［J］．低温与超导，2010(10):38 －45．

［5］徐志明，等． 板式换热器传热和阻力特性的实验研究［J］．热科学与技术，2010，9(1):11 －16．

［6］Elshafei，EA M． Heat transfer and pressure drop in corrugated channels［J］．Energy，2010，35(1):101 －110．

［7］盛洁． 波纹板式换热器流动传热性能的数值研究［D］．北京:华北电力大学，2013．

［8］Mohammed，HA，Abdalrazzaq K A，Sheriff，JM．Influence of geometrical parameters and forced convective heat transfer in transversely corrugated circular tubes［J］． International Communications in Heat and Mass Transfer，2013(44):116 －126．

［9］Pehlivan，H Taymaz，I and islamo g∨lu，Y．Experimental study of forced convective heat transfer in a different arranged corrugated channel［J］． International Communications in Heat and Mass Transfer，2013(46):106 －111．

［10］Li，W，et al．Numerical and experimental analysis of composite fouling in corrugated plate heat exchangers［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2013(63):351 －360．