板式换热器分配区改造的数值模拟及场协同分析

张仲彬，张　浩，郑孔桥

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)



板式换热器分配区改造的数值模拟及场协同分析

张仲彬，张浩，郑孔桥

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：对人字形板式换热器冷热双流道计算模型进行分配区结构改造，建立了新计算模型。利用计算流体力学软件对不同工况下两换热器模型内流体的流动和传热进行了数值模拟，对比了两模型内的速度场和温度场，并运行场协同原理分析了流道内的速度场和温度场及速度场和压力场的协同性。结果表明：新模型的速度场和压力场的协同性更好，在换热能力相同情况下，压降较低，经济性得到提高。

关键词：板式换热器、分配区、数值模拟、场协同理论

板式换热器作为一种通用的热能动力机械设备，已被广泛使用于医药、制冷与暖通、余热回收、动力及石油化工、航空航天等绝大部分工业领域，可以作为冷凝器、蒸发器、回热器及中间冷却器等，其应用范围不断扩大。由于数值模拟方法研究高效、经济等优点，在板片的设计、选型和优化等过程得到了广泛应用。黄莉、崔立祺、曲宁和吴华新[1-4]等分别截取人字形波纹板式换热器50 mm×100 mm，50 mm×110 mm和128 mm×128 mm主流区域进行模拟计算分析，得到了波纹夹角β、高度h和间距l对换热器性能的影响，并利用计算结果拟合各几何参数与努谢尔特数、压力降之间的关系曲线。Flavio C.C.Galeazzo[5]等人通过对板式换热器的数值模拟，发现在通道内存在流体流动不均和流量分布不均的现象。Carla S.Fernandes[6]等人对高粘度流体在板式换热器内的流动进行了模拟，发现在层流状态下，流体的扭曲系数和摩擦相关性系数随着波纹倾斜角的减少和通道宽高比的增加而增加。Xiao-Hong Han[7]等人根据板片的完整结构建立了双流道的三维计算模型，发现在板片进、出口处都存在流动死区。板间的流量分布不均或流动死区与分配区结构息息相关，分配区的结构对板式换热器的性能有着重要影响。本文在原有的冷热双流道几何模型基础上，对分配区结构进行改造并建立了新的模型，对两种模型在不同工况条件下的进行数值模拟，得到其速度场与温度梯度场的夹角随Re的变化情况，并运用场协同理论对模拟结果进行三场协同分析。

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，基本参数为：换热面积0.015 m2，波高2 mm，法相节距6 mm，β角60°，材料为304不锈钢[8-9]。笔者按照该板片图纸的实际尺寸建立三维计算模型A，计算区域如图1所示。在模型A的基础上，改造分配区的结构，建立了模型B，计算域如图2所示，冷热流体对角逆向流动，上侧流动为热流体，A端流入C端流出下例流道为冷流体，D端流入B端流出。

图1 几何模型A图2 几何模型B

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：

连续方程

(1)

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

(2)

式中：i为方向；Ui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-1。

能量守恒方程

(3)

式中：T为温度，K；α为流体热扩散率，m/s。

RNGk-ε模型

(4)

(5)

1.4边界条件

1.4.1壁面条件

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

1.4.2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。

1.4.3数值计算

板间流动为单相流动，流动为湍流，采用RNGk-ε湍流模型，保持模型中的各参数值不变。计算采用分离变量隐式法求解，速度和压力耦合采用SIMPLE算法，二阶精度的迎风格式离散。

1.4.4进出口边界条件

2改造前后传热及阻力特性分析

本文对进口流速在0.2 m/s-0.6 m/s间的5种工况进行了模拟计算，并以进口流速0.5 m/s为例，分析两模型的速度场、温度场和压力场变化。

2.1板式换热器流道内的速度场

图3和图4分别为进口流速u=0.5 m/s时模型A和模型B在y=0.2 mm截面上的速度分布。从图中可以看出，模型A在进口分配区的上部存在“死区”，导致波纹区在入口段沿z方向存在明显的流体流动不均现象，这是由于分配区结构不合理造成的；模型B在波纹区进口部分分流均匀，流体沿波纹区分布均匀。

图3 模型Ay=0.2mm截面上的速度分布图4 模型By=0.2mm截面上的速度分布

2.2板式换热器流道内的温度场

图5和图6分别为模型A与B在进口流速u=0.5 m/s时传热面热侧上的温度分布。从图中可以看出，随着流体的流动，板片的温度逐渐升高，模型A在波纹区的进口段沿z方向存在换热不均的现象，且在波纹区的右上角明显换热较差，模型B在整个板片上换热较为均匀，有利于增强换热。

图5 模型A在传热面冷侧上的温度分布图6 模型B在传热面冷侧上的温度分布

3改造前后协同原理分析

过增元等[10]从流体速度矢量和热流矢量夹角的角度重新思考了对流换热的物理机制，提出了对流换热强化的场协同原理。

许多学者已将场协同原理作为评价换热表面的强化换热效果或作为强化传热综合性能的评价参量[11-13]。

3.1速度场与温度场协同分析

轴上孔的防水和防火密封根据“高层民用建筑防火设计规范”，如果井中的孔设计不好，在发生井下时容易发生烟囱效应火。因此，当在建筑物电力轴中安装电力时，需要加强轴中的孔的防水和防火密封。安装质量直接影响建设项目的正常使用，这要求相关技术人员在实际工作中严格按照规定要求，严格控制安装质量，确保其质量，从而保证建设项目的正常使用。该方法是使用防火隔板，火是用于密封孔的钢板，然后填充一些防火阻挡材料，同时，可在地板周围建造水泥砂浆阻水圈，防止水流入井筒阻火材料。

过增元[10]从对流换热的能量方程出发，通过分析二维热边界问题得出无因次关系式

(6)

其中，Rex、Nux的定义与通常边界层流动分析中相同。被积因子可写成：

(7)

采用冷学礼[14]等对速度场和温度场梯度局部协同角的改进式

(8)

式中，vL为流体速度，m/s；T为温度梯度。

全场的速度和温度梯度的平均协同角为

(9)

式中，dVi为第i个控制容积的体积元。

图7　模型A的速度与温度场协同角

图8　模型B的速度与温度场协同角

图9　模型A的速度与压力场协同角

图10　模型B的速度与压力场协同角

图7和图8为进口流速u=0.5m/s时，模型A与B的速度与温度场协同角，η=10cosβ。从图中可以看出，速度与温度场协同角在板片中不是均匀分布的，在两块板片触点附近速度与温度夹角余弦值具有较大值，这是由于这部分区域存在强烈的湍流。在相同雷诺数时，模型B的速度与温度场夹角更小，场协同性更高，换热性能更好。

3.2速度场与压力场协同分析

何雅玲[15]等从流体流动的动能方程出发，提出压降梯度的做功率，记为

(10)

其中，α为速度和压力梯度间的夹角。可以看出，在一定的流场分布情况下，压力要做一定的功，当α<90 ℃时，减小速度场与温度梯度场的夹角或在α>90 ℃时增大速度场与温度场的夹角。这样，压力梯度的做功越强，产生的压降越小。

定义速度和压力梯度的局部协同角

(11)

全场的速度和压力梯度的平均协同角

(12)

其中，dνi为第i个控制容积的体积元。

图9和图10为进口流速u=0.5m/s时，模型A与B的速度与压力梯度的协同角，θ=-10cosα。从图中可以看出，速度与压力场协同角在板片内也不是均匀分布。相同雷诺数时，模型B的速度与压力场协同角更大，两场协同更好，压降更小。

3.3模拟数据的处理

图11和12给出了为模型A与B的速度与温度的全场平均协同角θφ和速度与压力的全场平均协同角θm随雷诺数的变化关系。从图中可以看出，随着流速的增大，两模型的速度与温度场的夹角均减小，场协同性提高，换热性能增强；而速度与压力场夹角均减小，场协同性降低，压降增大。在相同流速时，模型A与B的速度与温度场平均角相差很小，换热性能基本相同，而速度与压力场平均角则明显大于A，即相同流速下，模型B的内部流阻更小，压降更低。

图11 模型A与B的速度与温度全场平均协同角图12 模型A与B的速度与压力全场平均协同角

4结论

板式换热器分配区经过改进后，流道内流体分布更加均匀，改善了流动特性，流体流动阻力大大减小，同时板片整体换热更加均匀，在换热性能基本不变的同时，降低了压降；而且流道内速度场与压力场的协同性更好，经济性得到提高。

参考文献

[1]黄莉.板式换热器波纹参数优化的数值模拟试验研究[D].北京：北京化工大学，2010.

[2]崔立祺.基于 FLUENT 的板式换热器三维数值模拟[J].杭州：浙江大学，2008.

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[6]Fernandes C S，Dias R P，Nobrega J M，et al.Laminar flow in chevron-type plate heat exchangers：CFD analysis of tortuosity，shape factor and friction factor [J].Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2007，46(9)：825-833.

[7]Han X H，Cui L Q，Chen S J，et al.A numerical and experimental study of chevron，corrugated-plate heat exchangers [J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2010，37(8)：1008-1014.

[8]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.

[9]徐志明，黄兴，郭进生，等.冷却水水质参数对板式换热器污垢特性的实验研究[J].工程热物理学报，2011，32(4)：645-647.

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[14] 冷学礼.振动圆管外强化传热机理及污垢生长特性研究[D].济南：山东大学，2007.

[15] 何雅玲，雷勇刚，田丽婷，等.高效低阻强化换热技术的三场协同性探讨[J].工程热物理学报，2009，30(11)：1904-1906.

Numerical Simulation and Field Synergy Principle Analysis on the Distribution Area of Plate Heat Exchangers

ZHANG Zhong-bin，ZHANG Hao，ZHENG Kong-qiao

(Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：Based on the structure modification of distribution area of plate heat exchanger，a new calculation model was established which include cold and hot double flow channel.Under various working conditions，numerical simulation on heat transfer and pressure drop characteristics were performed for two models by computational fluid dynamic software.Velocity field and temperature field of the two models were compared and the synergy of the velocity field and temperature field and the synergy of the velocity field and pressure field were analyzed in flow channel.From the result，the synergy of the velocity field and temperature field in new model is better.Pressure drop is lower based on the heat transfer performance，and economy is improved.

Key words：Plate heat exchanger；Distribution area；Numerical simulation；Field synergy theory

中图分类号：TK124

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2016)01-0051-05

作者简介：张仲彬(1973-)，男，内蒙古自治区通辽市人，东北电力大学能源与动力工程学院副教授，博士，主要研究方向：强化传热及表面材料的阻垢.

收稿日期：2015-09-12