翅片板式传热器双流道传热与流动数值模拟

徐晓冉 ，张锁龙，3，王存明

（1 常州大学机械工程学院，江苏 常州 213016；2 常州市过程装备工程技术中心，江苏 常州 213016；3信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，江苏 无锡 214071）

常用的传热器有很多类型，板翅式传热器是目前国内最先进的传热设备之一，因具有传热效率高、体积小、坚固耐用、适用性强等优点被广泛应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、制药等工程领域[1]，并在利用热能、回收余热、节约能源[2]等方面取得了显著的经济效益。翅片是板翅式传热器中最基本的元件，其主要形式有：平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片、百叶窗翅片等。国内外许多学者对翅片表面的传热性能做了大量的研究，Shah等[3]对平直翅片表面的传热、压降和流动特性进行了试验。Kim[4]在自行搭建的试验装置上对板翅式传热器中的多孔形翅片表面进行了实验研究。Joshi和Webb[5]对锯齿翅片的表面特性进行了研究。国内方面，祝银海、焦安军、李媛等[6-9]从数值模拟和实验研究两方面进行了研究，验证了锯齿形翅片的传热性能优越于平直形翅片，并提供了一些改进方法。目前板翅式传热器的翅片与隔板通过钎焊方式连接，整体进行钎焊，一旦中间某一部分出现任何问题，整台传热器就无法使用，造成资源浪费。

本文作者将对自行设计的翅片板式传热器运用数值模拟的方法进行研究，使用Fluent 软件对不同结构尺寸下双流道翅片板束的传热和流动情况进行模拟计算，得出不同翅片高度和不同翅片间距下的对流传热性能规律。

1 几何模型及网格划分

本研究自行设计的翅片板式传热器是在隔板上滚焊平直翅片，用普通的缝焊方法代替昂贵的钎焊制造，大大降低了加工费用，结构如图1所示。因翅片长度为板片长度一半，故板片两端为平板区域。冷流体从一端流入，另一端流出；热流体由垂直于翅片的方向进入平板区域，经过平直翅片从另一端的平板区域流出，如此，两流体在板片两端的平板区域呈错流流动，在中间翅片区域为逆流操作。冷热流通过板片及翅片完成传热过程，其中，主要传热过程由板片完成，翅片起到增加传热面积，强化传热作用。

翅片板式传热器板束的结构和特征参数如图2所示。由于传热器微通道的尺寸都在毫米数量级，而长度在米的数量级上，因此要用CFD 软件模拟整个传热器的流动和传热是不现实的。由于本研究主要分析翅片结构尺寸对传热性能的影响和根据流动与传热的对称性，故忽略两平板区域传热效果，在传热器板束截面上取图2 虚线框中的区域为研究对象。整个模型使用六面体结构化网格划分，采用Map 方法，网格数为20万～30万，网格划分示意如图3。

图1 翅片板式传热器板束装配图

图2 板束结构示意图（单位：mm）

图3 板束网格划分

2 边界条件和求解模型

2.1 边界条件

根据模型的要求，边界条件设定为：冷热流体采用速度进口；冷热流体的出口均采用压力出口边界；模型左右6个面采用周期边界，上下壁面给定初始温度；流体工质、翅片和隔板的两两相交面采用壁面边界的耦合类型；其它壁面采用Fluent 默认的Wall，并做绝热处理。

2.2 求解模型

求解模型的设置为：湍流模型选用工程上采用的标准κ-ε模型；求解器采用基于压力求解器及分离式求解器；控制方程的线化形式采用隐式格式。压力速度的耦合算法采用SIMPLE 算法；为改善求解精度，能量方程采用二阶精度离散格式；能量的收敛可信残差值为1×10−6，其余都为1×10−3。所有模拟均满足残差准则。

3 计算结果与分析

3.1 翅片高度对传热性能的影响规律

翅片高度对翅片板式传热器的传热性能有着重要的影响。翅片高度直接影响到传热系数和流体阻力的变化，合适的高度能够在不引起过大压力降的情况下提高板片式传热器的传热效率，进而使装置保持在最佳状态下运行，降低运行费用，因此研究翅片高度对传热器传热性能和流动阻力的影响具有十分重要的意义。为了探究它们之间的规律，设定翅片高度H为10 mm、15 mm和19.5 mm 三种情况，按照前述的求解模型进行数值模拟。这里分析翅片高度H为19.5 mm时的传热性能，实为分析H为20 mm时的情况，因为当H为20 mm时与板间距相等，模拟时就简化为中间翅片与两隔板都焊接为一体，与实际情况不符。

图4为在冷流体入口速度和温度保持不变的情况下，对应3 种不同翅片高度H热侧传热性能随热侧流体入口速度的变化趋势，图4(a)为热侧传热系数随热侧入口速度变化的趋势图形，图4(b)为热侧进出口压降与热侧入口速度变化的关系图。从图4(a)、(b)两图可以看出，在一定的翅片高度下，热侧的传热系数随着热侧流体的入口速度增大而增大，同时压力降也随之增大。这主要是因为热侧流体的速度越大，雷诺数也随之增大，流体到达湍流状态，不断削减壁面边界层厚度，加快流体与固体壁面的传热，进而增加了与冷流体的热量交换，传热效率得到提高。随之入口速度的增大，高度为10 mm和15 mm的翅片的热侧传热系数增长率大于高度为19.5 mm的翅片。当速度V＞10 m/s时，高度为19.5 mm和15 mm 两种翅片的传热系数越来越靠近，但是热侧压降却大于其它两者，说明板间距为20 mm时，翅片高度为15 mm时传热效果最佳。

图5和图6 分别为不同翅片高度下冷侧传热系数和传热器的总传热系数与热侧流体入口速度的关系图。由图5 可知，当翅片高度一定时，虽然热侧入口介质速度一直增大，但是冷侧传热系数呈平稳的趋势，可以看出冷侧传热效果与热侧入口速度关系不大；不过随着翅片高度的增加，冷侧传热系数也是增大的。翅片高度增加相同的数值，冷侧传热系数大小却非呈线性增长。由图6 可以看出，3 种翅片高度下的总传热系数变化规律与热侧传热系数相同。

图4 不同高度下热侧传热系数和压降与热侧入口速度关系

图5 不同高度下冷侧传热系数与热侧入口速度关系

图6 不同高度下总传热系数与热侧入口速度关系

3.2 翅片间距对传热性能的影响规律

翅片间距也是影响板翅式传热器传热性能和流动阻力的一个重要结构因素。为了探究它们之间的规律，设定翅片间距S=6 mm、10 mm和14 mm三种情况，按照前述的求解模型进行数值模拟。

图7(a)为在冷流体入口速度和温度保持不变的情况下，对应3 种不同翅片间距S热侧传热系数随热侧流体入口速度的变化趋势。由图可以看出，热侧传热系数随入口速度增大呈线性增长。当热侧入口速度一定时，翅片间距越小，热侧的传热系数越大。因为翅片间距越小，流体在入口被分成多股流入板束内，一定程度上增大了湍流程度，加快相邻冷热两流体传热速度，提高了传热效率。

图7(b)为3 种翅片间距下热侧压降与热侧入口速度关系。由图可以看出S=6 mm时热侧压力降最大，S=14 mm时最小，S=10 mm时居中。翅片间距越小，入口横截面积越小，给予相同的入口流速相当于提高了单位横截面积下的流体速度，压力降随之增大。

图7 不同间距下热侧传热系数和压降与热侧入口速度关系

图8 不同间距下冷侧传热系数与热侧入口速度关系

图9 不同间距下总传热系数与热侧入口速度关系

图8和图9 分别为不同翅片间距下冷侧传热系数和传热器的总传热系数与热侧流体入口速度的关系。由图8 可以看出，冷侧传热系数基本不随热侧入口速度变化而发生改变，热侧性能参数的改变只影响热侧的传热效果；热流体入口速度不变时，热侧入口速度一定时，但是从总体来说传热器的总传热系数是随着热流体的入口速度增大而增大的，这与翅片高度表现出相同的规律。

4 模拟结果验证

4.1 实验平台的搭建

为了对翅片板式传热器的传热性能与阻力特性做实验研究，验证模拟的准确性，搭建试验装置进行实验，如图10所示。该实验系统主要包括5个部分：实验元件、冷空气直流系统、热空气直流系统、实验参数测定系统及保温系统。

（1）实验元件 本实验的测试对象是翅片板式传热器板束，取4 片焊接好翅片的板片按照冷热通道不同的组合方式用气动缝焊机焊接在一起，形成两个热通道和一个冷通道。板片尺寸为0.8 mm×340 mm×1220 mm，冷热两侧板片间距均为20 mm，翅片厚度为0.4 mm，翅片长度为610 mm，翅片间距为10 mm。

（2）冷空气直流系统 本实验所需的冷空气由离心式鼓风机出来，经风阀和封头进入板束内与热空气进行传热，喇叭口通过氩弧焊的方式与板束进行连接，风速的大小由风阀开度大小所控制。

（3）热空气直流系统 本实验在自行设计的封头内制作一个风道电阻丝加热装置，选用3 根3 kW 电阻丝采用星接方式连接在380 V 工业电源上，将离心式鼓风机出来的冷空气加热到需要的温度。

（4）实验参数的测量系统 本实验测量系统分为温度测量、流量测量及压差测量系统。

①温度测量系统 本实验的温度测量采用数字点温仪，其测试范围为-50～750℃。冷流体进出口、热流体入口各放置2个点温仪，冷流体出口放置4个，通过多点测量求平均值的方法记录实验数据。

②流量测量系统 本实验的流量采用AR826数字式风速仪来测量冷热流体的进口流速，其流速测量范围为0.3～45 m/s，且具有显示屏可直接读取风速示数，简单方便。将该风速仪的风轮放于测量孔内，多次测量求平均值以减少实验误差。

③压差测量系统 本实验中的压差测量系统是用U 形压差计测量。在板束的冷热流体进口位置处，分别连接U 形压差计两侧，通过压差读数反映板束进出口的压降。

（5）保温系统 实验中，为了保证热量尽可能多地用于冷热流体与板束的对流传热，减小实验过程的热量损失，特在上下板片上加设材料为硅酸铝纤维的保温层。

4.2 实验结果

固定冷热入口速度不变，改变热侧入口速度大小和温度，计算该传热器板束的传热系数，然后按照相同的操作参数进行模拟对比总传热系数，结果如表1所示。由表1 可以看出，模拟值与实验值误差在可接受范围内，此模型可以用于计算自行设计的翅片板式传热器的数值模拟。

图10 实验装置图

表1 总传热系数实验值和模拟值的比较

4.3 误差分析

由表1 可知，实验值与模拟值之间存在一定的误差，且模拟值比实验值偏大，本文作者认为产生误差的主要原因有以下方面。

（1）流体分布误差 在实验的过程中，由鼓风机将冷、热流体经风阀和封头输入翅片板束中，从而进行热交换。但是冷、热流体在板束冷、热通道的进口处分布并不均匀，进而对板束内热交换产生影响。通过实验观察，一是由于设计喇叭口时，其自身开口角度，会产生气体偏向一侧的现象；另一原因便是风阀的设计上较为简易，调节大小后风阀内调节片会对气体产生阻挡作用于，气体分流向一侧偏移。

（2）测量误差 在实验过程中，利用测量仪对流体流速、温度及压降的测量存在着人为的误差，通过多点测量的方法虽然能够有效地避免一点不必要的误差，但是仍然会存在不准确的可能性。

（3）模拟误差 在实际的模拟计算和实验过程中都做了一些必要的假设条件来简化模型，是为了研究提供便利。但是简化后便会与实际情况产生差距，进而带来误差。如数值模拟中假定翅片与板片的焊接完全紧密接触，而实际焊接中因人为原因不可能做到理想状态，从而产生误差。

（4）试验系统误差 在此实验平台的设计和搭建中，由于基本依靠个人动手制作，所以在实验过程中，整实验系统运行的稳定性与均匀性不能很好地控制到理想状态。同时，虽然在传热板束上铺设保温层尽量减小系统的漏热损失，但是系统还是会有热量损失，从而产生误差。

5 结论

通过对不同高度和不同间距的翅片进行计算分析，可以得出如下结论。

（1）固定冷侧入口的速度和温度，热侧的传热系数与压降随着热侧入口速度的增加而不断增大。

（2）当板间距为20 mm时，翅片高度越大传热效果不一定越好，翅片高度为15 mm时传热性能为最佳。

（3）当板间距为20 mm时，翅片间距越小，传热性能越好，所以采用间距较小的翅片可以提高传热效果。

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