板式换热器流动与传热特性的数值研究

李煜, 龚金科,陈健美,徐志明,刘冠麟,李玉强,袁文华

(1.邵阳学院 机械与能源工程系,湖南 邵阳，422000；2.湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙，410082；3.湖南涉外经济学院 机械工程学院，湖南 长沙，410205；4.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林，132012)



板式换热器流动与传热特性的数值研究

李煜1,2,3, 龚金科2,陈健美3,徐志明4,刘冠麟3,李玉强3,袁文华1

(1.邵阳学院 机械与能源工程系,湖南 邵阳，422000；2.湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙，410082；3.湖南涉外经济学院 机械工程学院，湖南 长沙，410205；4.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林，132012)

建构了与BR0.015F型人字形波纹板式换热器实际结构、尺寸完全相同的冷热双流道物理模型，采用Fluent软件开展了数值仿真，通过改变该换热器的波纹节高比l/h、波纹倾斜角β和流道内流体流动形态，分析了其流动和传热特性，明晰了板片结构参数的变化对流动和传热特性的影响，最终获得了压降与换热最佳时的结构参数.结果表明：板式换热器的l/h越小时，其换热越好且流阻越小，l/h=2.4时的换热效果最佳且流阻最小；随着β的增大，其换热效果增强，但其流阻亦增大，β=45°时的同功耗换热效果最佳；单边流的流动与传热特性均优于对角流.

板式换热器；结构参数；流动；传热；仿真

换热器[1]包括板式和管壳式等型式，尤其是前者，现已在能源动力各相关领域得到了广泛的应用，当前关于其性能的研究主要围绕基于实验或仿真这两种手段对其流动与传热特性开展，研究目标在于降低压降的同时提升传热效果.

在实验研究方面，W.W.Focke[2,3]的工作最具突破性，他基于前人成果，采用有限扩散电技术(DNCT)，类比估算传热速率，结果发现：人字形板式换热器内流体流动与传热较大程度受波纹夹角β的影响，流体在波纹通道间有十字交叉流与曲折流两种流态且随β的增大，十字交叉流渐变为曲折流，同时，摩擦因子f和传热因子j亦随之增大，在β达80°后增速变缓.天津大学的赵镇南教授[4]基于实验数据证实了W.W.Focke的发现并指出换热器的流阻压降不变时的传热速率不受波纹夹角的影响.

然而，实验研究虽能直接获取换热器的整体性能，研发周期却较长且靡费较大，亦无法满足实际工况需求，而数值仿真高效、经济，故逐渐被广泛应用于板片的研发与优化[5-7].Kanaris等[8]构建了含两完整波纹通道的三维数理模型，分析了其内部流动与传热情况并以实验验证了该模型的准确性.C.C.Flavio等[9]通过实验并结合仿真分析了板式换热器内流体流动与传热特性，证实了板式换热器数值研究的可行性与优越性.Tsai等[10]构建了完整的含出入口、波纹传热区和分配区的板式换热器三维模型，研究了其板片内部的水力和流动特性.在国内，崔立祺和曲宁等[11,12]针对截取后的人字形波纹板式换热器部分主流区域进行仿真研究，明晰了波纹倾斜角、波纹节距和波纹高度对换热器流阻与传热性能的影响，描绘了努塞尔数Nu和流阻压降随波纹参数的变化曲线.黄莉[13]对人字形板式换热器的波纹参数开展了数值仿真，获取了一组板片最优参数并发现了板间流体流态只与板片结构参数有关，而与流速无关.仇嘉等[14]研究了板式换热器并联流道数和分配器出口位置对流道间单相流和两相流流动分配均匀性能的影响，发现前者强于后者.陈文超等[15]数值仿真了人字形板式换热器的温度场，结果表明平行于速度入口方向的温度梯度变化明显强于垂直于速度入口方向且前者较后者的温度梯度变化更为清晰.

综上所述，国内外已有较多板式换热器流动与传热特性的研究，其中有实验的，也有仿真的，尤其是仿真，为板式换热器的研发、设计和生产提供了许多有用的参考资料；但因其特殊的流道，仿真前期的建模和网格划分难度较大，网格数大、计算任务重乃至无法完成计算，故大多数研究人员是以截取的波纹区域部分结构为研究对象来分析其流动与传热过程，这虽解决了计算问题，但与换热器实际流动与传热过程有一定差异，可能并不能准确描述其流动与传热特性.为此，笔者建构了与BR0.015F型人字形波纹板式换热器实际结构、尺寸完全相同的冷热双流道物理模型，采用Fluent软件开展了数值仿真，通过改变该换热器的波纹节高比l/h、波纹倾斜角β和流道内流体流动形态，分析了其流动和传热特性，明晰了板片结构参数的变化对流动和传热特性的影响，最终获得了压降与换热最佳时的结构参数.

1 数学物理模型

1.1 物理模型

文中采用的板式换热器为吉林四平巨元瀚洋板式换热器厂生产的BR0.015F型人字形波纹板式换热器，其内部结构和板片分别如图1、2所示，该换热器及板片的相关参数如表1所列.笔者据表1所列参数和板片实际尺寸建构了如图3所示的冷热双流道物理模型.上下流道内冷热流体均为单边流，上侧为热流体，由A端流入、B端流出；下侧为冷流体，由C端流入、D端流出.

图1 板式换热器内部结构示意图Fig.1 Internal geometry diagram of a plate heat exchanger

图2 BR0.015F型板式换热器人字形波纹板片Fig.2 A plate of the BR0.015F-type herringbone corrugated plate heat exchanger

图3 冷热双流道流动与传热物理模型Fig.3 The cold & hot dual-fluid-channel physical model of flow & heat transfer

表1 BR0.015F型板式换热器及板片参数Table 1 Parameters of BR0.015F-type plate heat exchanger & its plates

1.2 数学模型

因所研究的为较小温差的流道内单相流体传热问题，故其流体流动可假定为不计重力与浮升力并忽略粘性耗散热效应的不可压缩牛顿流体的定常流动.

该板式换热器的控制方程可描述如下：

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

RNGk-ε模型

(4)

(5)

1.3 边界条件

1.3.1 壁面条件

设定冷热流道接触面为换热面，其余各面为绝热边界.

1.3.2 进出口边界条件

进口为速度入口，温度用实验值，速度经流量算得；出口为压力出口，用实验的出口表压值.

1.4 网格划分

以Pro/E软件建模、Gambit软件中的非结构化四面体网格划网格，且依进出口、波纹传热区和分流区将模型分割为十部分并填充网格，随后依梯次网格加密，当波纹传热区网格步长达0.5mm(网格数约144万)时，传热计算开始稳定，此时网格密度已达仿真精度.

1.5 数值求解

采用k-εRNG湍流模型且维持其参数值恒定并用分离变量隐式法求解，以SIMPLE算法耦合速度与压力，以二阶迎风格式离散动量和能量方程.

1.6 计算方法的实验验证

换热器的仿真研究主要有两种实验验证方法：等雷诺数法和等流速法[16,17].前者反复又复杂；而后者简便又实用，只需确保冷热流道流速相等且Re的差值不超过15%.笔者基于BR0.015F型人字形板式换热器实验数据验证了建构的仿真模型，具体方法与过程详见文献[18].传热系数的实验与仿真结果对比如表2所列，表中每个工况的上下侧分别指热、冷流道，与实验相比，仿真算得的传热系数误差均小于5%，说明该仿真模型可信.

表2 传热系数的实验与仿真结果对比Table 2 Comparison of experimental & simulation results of heat transfer coefficient

2 仿真结果与分析

2.1 波纹节高比对流动和传热性能的影响

人字形板式换热器流动与传热特性受其波纹法向节距和波纹高度变化的影响很大.事实上，波纹法向节距和波纹高度二者常互相影响，故选择一个适当的波纹法向节距和波纹高度的比值，即节高比l/h，比仅选择波纹法向节距和波纹高度更有意义.文中仿真研究了5组不同速度工况的波纹节高比对人字形板片流动和传热性能的影响.

图4表示不同节高比l/h下努塞尔数Nu和雷诺数Re的变化关系.纵坐标为Nu/Nu0，其中Nu0=7.54，为无限大恒壁温平板的Nu.由图可知，随着Re的增加，不同l/h的Nu均呈现增大趋势，且l/h=2.4时传热最好，l/h=3时最差.在相同Re下，节高比l/h=2.4的Nu比节高比l/h=3的Nu平均高出25.91%.

图5表示不同节高比l/h下摩擦阻力系数f和Re的变化关系.纵坐标为f/f0，f0=96/Re为无限大恒壁温平板的摩擦阻力系数.由图可知，在Re=70～950范围内，人字形板片的摩擦阻力系数是无限大光滑平板通道的 2～600倍.在相同Re时，人字形板片的摩擦阻力系数随着l/h的增加不断增加，且增加幅度越来越大.节高比l/h=2.4时的摩擦阻力系数最小，即流动阻力最小.

图5 f随Re的变化Fig.5 f vs.Re

图7 Nu随Re的变化Fig.7 Nu vs.Re

2.2 波纹倾斜角对流动和传热性能的影响

波纹倾斜角对板式换热器的流动与传热具有重要影响，文中仿真了7组不同速度工况的波纹倾斜角β对人字形板片流动和传热性能的影响.

图7表示不同波纹倾斜角β下的Nu随Re的变化关系.纵坐标为Nu/Nu0，其中Nu0=7.54，为无限大恒壁温平板的Nu.由图可知，在Re=70～950范围内，人字形板片的Nu随着波纹倾斜角度的增加不断增加，当波纹倾斜角β>72°时，在相同Re下，其Nu相差很小，这表示倾角在72°～80°时，传热具有极大值，与W.W.Focke[1,2]的实验结果一致.

图8表示不同波纹倾斜角β下的f和Re的变化关系.纵坐标为f/f0，其中f0= 96 /Re为无限大恒壁温平板的摩擦阻力系数.由图8可知，在Re=70～950范围内，人字形板片的摩擦阻力系数是无限大光滑平板通道摩擦阻力系数的2～130倍.人字形板片的摩擦阻力系数随着波纹倾斜角度的增加不断增加，且增加幅度越来越大，当波纹倾斜角β>72°时，在相同雷诺数下，其摩擦阻力系数相差很小，这表示倾角在72°～80°时，摩擦因子具有极大值，与W.W.Focke的实验结果一致.

一般国内制造厂家对于板式换热器的阻力特性是以欧拉数Eu与雷诺数Re之间的准则关系给出的[19]：

Eu=bRed

(6)

或

Δp=bRed·ρu2=Euρu2

(7)

式中，b为系数，d为指数.

图8 f 随Re的变化Fig.8 f vs.Re

图9 Eu随Re的变化Fig.9 Eu vs.Re

图9表示不同波纹倾斜角β下的Eu与Re的变化关系.由图可知，人字形板片的Eu随着波纹倾斜角度的增加不断增大，且增大幅度越来越小，说明其动量损失率变小.在相同Re下，当波纹倾斜角β>72°时，其Eu相差很小，与图8结果吻合，表示Eu同样能很好地表征换热器的阻力特性.

图10表示不同波纹倾斜角β下强化传热综合性能指数PEC随Re的变化关系，由图可知，不同波纹倾斜角β下人字形板片的综合性能指数随Re增加均呈现增加趋势，且增加的幅度越来越小.当β=45°时，强化传热指数最高，即同功耗下其传热效果最好；β=30°时强化传热指数最低，即同功耗下其传热效果最差.

图10 PEC随Re的变化Fig.10 PEC vs.Re

2.3 流体流动形态对流动和传热性能的影响

流体在人字型板式换热器板片上的流动方式有两种：单边流和对角流.文中通过数值仿真研究了单边流和对角流对板式换热器的流动和传热特性的影响.

图11 f与u的变化关系Fig.11 f vs.u

图12 j与u的变化关系Fig.12 j vs.u

3 结论

通过建构BR0.015F型人字形波纹板式换热器冷热双流道物理模型来数值仿真，得出以下结论：

(1)板式换热器的波纹节高比l/h越小，其换热越好且流阻越小，l/h=2.4时换热效果最佳且流阻最小；

(2)随着波纹倾斜角β的增大，其换热效果增强，但其流阻亦增大，β=45°时的同功耗换热效果最佳；

(3)单边流的流动与传热特性均优于对角流.

[1]黄建设.汽车发动机余热在高原上的利用研究[J].邵阳学院学报(自科科学版)，2005，2(2)：65-66.

[2]W.W.Focke.The effect of the corrugation inclination angle on the thermo hydraulic performance of plate heat exchanger [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,1985,28(8):1469-1475.

[3]W.W.Focke.Turbulent convective heat transfer in plate heat exchangers [J].International Communications Heat Mass Transfer,1983,10(3):201-210.

[4]赵镇南.板式换热器人字波纹倾角对阻力及传热性能的影响 [J].石油化工设备,2001,30:1-3.

[5]杨刚.波纹板形状参数对换热器性能影响的数值研究 [D].太原:太原理工大学,2012.

[6]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.

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

[8]A.G.Kanaris，A.A.Mouza，S.V.Paras.Flow and heat transfer prediction in a corrugated plate heat exchanger using a CFD code [J].Chemical Engineering &Technology,2006,29(8):923-930.

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[11]崔立祺.人字形板式换热器强化传热研究及场协同分析 [D].杭州:浙江大学,2009.

[12]曲宁.板式换热器传热与流动分析 [D].济南:山东大学,2005.

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

[14]仇嘉,魏文建,张绍志,等.基于CFD数值模拟的板式换热器分配器性能研究 [J].机械工程学报,2010,46(14):130-137.

[15]陈文超,张锁龙,梁欣.人字形板式换热器双流道模型的温度场数值模拟 [J].化工机械,2010,37(4):465-468.

[16]欧阳新萍,陶乐仁.等雷诺数法在板式换热器传热实验中的应用 [J].热能动力工程,1998,74(13):118-120.

[17]欧阳新萍,吴国妹,刘宝兴.等流速法在板式换热器传热实验中的应用 [J].动力工程,2001,21(3):1260-1262.

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[19]余建祖.换热器原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

Numerical study on flow and heat transfer characteristics of a plate heat exchanger

LI Yu1,2,3,GONG Jinke2,CHEN Jianmei3,XU Zhiming4,LIU Guanlin3,LI Yuqiang3,YUAN Wenhua1

(1.Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China;2.College of Mechanical & Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;3.Department of Mechanical Engineering,HunanInternational Economics University,Changsha 410205,China;4.School of Energy and Power Engineering,NortheastDianli University,Jilin 132012,China)

A cold & hot dual-fluid-channel physical model whose geometry and sizes are completely the same as those of a real BR0.015F-type herringbone corrugated plate heat exchanger was set up and numerical simulation was carried out based on Fluent Software.The flow and heat transfer characteristics of the exchanger was analyzed after changing its ratio l/h of normal corrugated pitch to corrugated height,corrugated inclination angle β and fluid flow pattern in the fluid channel,the effects of variation of plate geometric parameters on its flow and heat transfer characteristics were known and the geometric parameters that have the optimal effect of pressure drop as well as heat transfer were obtained.The result shows that the smaller the l/h of the plate heat exchanger,the stronger the heat transfer effect as well as the smaller the flow resistance and the heat transfer effect is strongest as well as the flow resistance is smallest at l/h=2.4; the heat transfer effect enhances as well as the flow resistance increases by increasing β and the heat transfer effect is best with the same power consumption at β=45°; both flow and heat transfer characteristics of a single-side flow are superior to those of a diagonal flow.

plate heat exchanger; geometric parameter; flow; heat transfer; simulation

1672-7010(2016)02-0075-08

2016-04-05

国家自然科学基金资助项目(51276056,51176045,91541121); 湖南省教育厅科研项目(13C492)

李煜(1984-)，男，江西萍乡人，湖南大学在读博士研究生,讲师，从事工程传热传质和燃烧学研究

徐志明(1959-)，男，吉林九台人，博士、教授、博士生导师，从事强化传热与换热设备污垢研究；E-mail:xuzm@mail.nedu.edu.cn

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