铁镍泡沫填充板式换热器传热特性数值模拟

晁攸明，程 聪，张铱鈖

（太原理工大学 化学化工学院，太原030024）

换热器是许多工业部门广泛使用的一种通用设备，在国民经济和工业生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统经济性、可靠性起着举足轻重的作用。随着换热器在许多新兴的技术领域如核能和太阳能等新能源技术、宇航技术及超导技术中的应用，强化传热技术的进步和新材料、新工艺的不断发展，各种换热设备也趋向于高性能、高效率、低能耗、紧凑型的设计方向。国外先后推出了一系列新型高效换热器［1－2］，如焊接式板式换热器［3］和 Hitan绕丝花环换热器［4］等，这些新型换热器有些已在化工、石油和制药等行业得到了广泛的应用，并取得了一定的经济效益。我国在新型换热器的研发应用方面与国外尚存在较大差距，开发新型高效和结构紧凑的换热器，提高传热效率，减少材料消耗是目前换热器研究的一个重要方向。

多孔泡沫金属材料是一种新型多功能复合材料，具有比表面积大和基体金属材料导热系数高的特点，特别是开孔泡沫金属材料，其复杂三维立体网状结构能够提高流体非线性效果及增强湍流程度。一些研究者已分别对其流动和传热性能进行了理论分析、实验观察和数值模拟［5－10］，为泡沫金属材料在传热设备中的应用提供了一定的理论依据。

本文利用开孔铁镍泡沫材料的结构特点和板式换热器高效、节能的良好性能，研制出一种新型紧凑式铁镍泡沫填充板式换热器，并用CFD商用有限元计算软件FLUENT对换热器中介质的传热特性进行仿真数值模拟。分析了填充不同孔密度的铁镍泡沫材料对板式换热器传热性能的影响。

1 铁镍泡沫充填板式换热器结构

图1-a为本文研制的泡沫充填板式换热器装置。该换热器由平行均布在壳体中的传热板束及冷、热流体板箱组成。板束由数个板片和板片端部设置的封条焊接而成。相邻板片走向垂直。板片间填充铁镍泡沫材料，以提高流体的湍流程度，如图1-b所示。

2 计算模型

本文研制的板式换热器换热部分的结构尺寸为：板片厚为2mm，壳体厚度为4mm，封条规格为10mm×10mm×270mm，填充泡沫金属空间为250mm×10mm×270mm，共计八层。采用Gambit2.3.16建立的三维计算模型见图2。整体采用六面体（hex）单元进行网格划分，并对板片网格密度进行了细化，网格总数为388 129。

图1铁镍泡沫充填板式换热器

图2 镍铁泡沫充填板式换热器网格图

3 求解条件

3.1 基本假设

对于空气－空气换热问题，换热过程不仅包括流体对流换热，还包括泡沫材料及板片的热传导，若换热过程没有相变，本文在传热和流动特性分析中作了以下假设：

1）流动为定常流动；

2）忽略热辐射的影响；

3）对流传热过程中与外界为绝热状态；

4）所填充的铁镍泡沫金属各向同性并且孔隙按均匀分布进行模拟计算；

5）换热稳定、充分。

3.2 边界条件

边界条件的设置包括速度入口边界条件、压力出口边界条件、壁面边界条件和多孔介质区域参数设置。边界条件设置为：

1）冷、热空气进口处定义为MASS-FLOW-INLET，即定义进口质量流量和温度。

2）由于计算模型包括两个流动区域，中间被板片隔开，所以出口处定义为 PRESSURE-OUTLETE即压力出口边界。

3）定义换热器壳体壁面为wall默认条件，即换热器壳体是绝热的，板片间冷热流体通道为壁面耦合条件；设定板片间铁镍泡沫放置区的粘性阻力系数和内部阻力系数C2，并设置泡沫材料的孔隙率。

4）填充材料为铁镍泡沫，板片和封条的材料均为碳钢。

3.3 求解条件

在 Gambit2.3.16 中 将求解器 （Solver）选 为Fluent5／6后，将网格导入Fluent中进行模拟计算。求解条件为：

1）设定求解器为离散求解法（Pressure Based）、隐式算法（Implicit）、三维空间（3D）、稳定流动（Steady）。

2）定义物性参数。本文流体介质均为空气，其密度选择为：理想气体（idealgas）。

3）比热容cp（J／（kg·K））设置为分段线性函数：

式中，t为温度，℃。

4）导热系数λ设置为：

7）不考虑重力加速度的影响，按默认设置。

8）采用SIMPLY计算方法。在迭代对话框里选择空气的进口为迭代开始的位置，设置迭代步数进行迭代求解。

4 模拟结果分析

为了与实验结果对比［11］，采用实验工况进行模拟计算，表1为按实验工况设定的模拟计算边界条件数据。铁镍泡沫材料粘性阻力系数和内部阻力系数分别设置为 1／α＝1.689×107m－2和 C2＝865.29m－1。

表1 边界条件数据表

图3 换热效率数值模拟结果与实验结果比较

图3 显示了铁镍泡沫填充板式换热器换热效率数值模拟结果。可以看出，在填充铁镍泡沫材料后，板式换热器的换热效率明显增高；随着空气流量的增大，无填充材料的板式换热器的换热效率有所降低，而填充铁镍泡沫材料的板式换热器换热效率总体趋于稳定。由于实验和模拟所用的铁镍泡沫材料孔隙率皆为0.976 7，在相同流量下填充不同孔密度的铁镍泡沫材料对换热效率的影响不大。无填充情况下，实验值与模拟值热效率曲线趋势一致。由于实验中保温效果的不理想，有热量耗散，致使热效率实验值比模拟值平均高出15%左右。在填充不同孔密度的铁镍泡沫金属下，当空气流量小于20m3／h时，由于小流量下实验误差较大，换热效率的实验结果与模拟结果相差25%左右。但当空气流量大于20m3／h时，实验结果与模拟结果曲线基本一致，由于实验保温效果的影响，两者的平均换热效率差别也在15%左右。通过比较可见，模拟结果基本符合实验所得的结论，板式换热器在填充铁镍泡沫金属后，其热效率将大大提高，并且能在不同空气流量下保持换热效率的稳定性。图4给出了流量为50 m3／h条件下，填充铁镍泡沫的孔密度为25PPI时，板式换热器冷、热空气中间界面的压力云图。可以看出，冷热空气垂直对流流过铁镍泡沫材料后，由于流动阻力增加，产生一定的压力损失。冷空气压力入口处的平均压力为160Pa，出口处的平均压力约为20Pa，与实验值基本吻合［12］。

图4 冷、热空气中间界面的压力云图（Qv＝50m3／h）

5 结论

通过以空气为介质的气－气传热有限元模拟研究可以发现：在板式换热器中填充铁镍泡沫材料后，由于增强了流体的湍流程度，流体流经泡沫材料会发生三维扰动，强化了传热，显著提高了传热效率。当流量达到一定数值时，孔隙率相同的泡沫材料，孔密度的大小对传热效率的提高影响不明显。尽管板式换热器中填充泡沫材料后会增加一定的压降，但由于其传热效率的提高，换热器在额定热负荷下的换热面积减少。本文研究成果为泡沫金属材料提供了一个新的应用领域，对高效紧凑式换热器的优化设计有重要的参考价值。

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