不同波纹夹角的人字形板式热交换器数值模拟

吴 私 李春兰 王 森 李占英 朱海舟

(1. 兰州兰石能源装备工程研究院有限公司；2. 兰州兰石换热设备有限责任公司)

不同波纹夹角的人字形板式热交换器数值模拟

吴 私*1李春兰1王 森1李占英1朱海舟2

(1. 兰州兰石能源装备工程研究院有限公司；2. 兰州兰石换热设备有限责任公司)

建立了由波纹夹角60、120°人字形板片组成的3种换热流道的主换热区模型，利用计算流体力学软件对3种流道内流体的流动和传热进行了数值模拟，分析了流道内的速度场、温度场和压力场。结果表明：人字形波纹的夹角是影响板片间流体流动形态的因素之一，流道的换热性能和压力损失均随人字形波纹夹角的增大而增大，并且波纹夹角的改变对流道压力损失的影响比换热性能更明显。

板式热交换器 人字形板片 数值模拟 传热系数 压力降

由于板式热交换器具有结构紧凑、传热性能好等优点，已成为食品、化工、石油、冶金及电力等众多领域不可或缺的重要设备[1,2]。随着近年来数值模拟计算软件的应用，出现了许多围绕换热器流体流动和传热的数值模拟研究。徐志明等对不同速度工况下热交换器内流体的流动和传热进行了数值模拟[3]；蔡毅等运用数值模拟软件模拟了人字形波纹区域流道内流体的流动与传热特性[4]；崔立祺等利用数值模拟计算结果拟合了人字形波纹板各几何参数与努塞尔数、压力降之间的关系曲线[5，6]；李彦洲通过研究板式热交换器的内部流道特征，采用均匀试验优化方法，得到最优波纹倾角、法相节距和波纹高度数值[7]；赵元东等通过数值模拟，分析了热混合板式热交换器的流道模型换热和阻力的情况，并结合场协同理论分析热混合板式换热器的综合性能[8]；陈文超等采用双流道形式对人字形板式热交换器进行了温度场的数值模拟[9]。

在人字形板式热交换器的设计中，不能只追求较高的传热系数，同时还要考虑压力降，寻找传热与阻力的合理匹配才是工作的重点。通过波纹夹角60°人字形波纹板(W)与夹角120°人字形波纹板(H)的不同的组合，可以形成3种不同性能的流道，即H-H流道、W-W流道、H-W流道。笔者借助Fluent软件对这3种流道模型的主换热区进行流场模拟，分析了速度场、温度场和压力场，探索传热、压降合理的最佳组合。

1 数值计算模型

1.1物理模型

流道由两种板片构成，具体数值见表1。

表1 板片的特征参数

采用SolidWorks软件对3种组合流道进行了三维几何建模，波纹沿流动方向是周期性的，所以模型沿流动方向截取长100mm、宽50mm的区块，几何模型如图1～3所示，图1为由两张H板调转180°组成的换热流道，图2为由两张W板调转180°组成的换热流道，图3为由一张H板与另外一张W板调转180°组成的换热流道，图3中上、下两个换热面分别和W板、H板相同。

图1 H-H流道主换热区周期性几何模型

图2 W-W流道主换热区周期性几何模型

图3 H-W流道主换热区周期性几何模型

1.2相关假设

由于研究的传热过程没有相变，流道内的温差较小，故进行如下假设：流动各物理量不随时间变化，设为定常流动；流体为不可压缩的牛顿流体；重力和浮升力的影响忽略不计；忽略流体流动时的粘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：

(1)

(2)

(3)

湍流模型采用RNGk-ε模型

(4)

(5)

Gk——由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；

p——压力分量，Pa；

T——温度，K；

Ui——i方向上的速度分量，m/s；

u、v、w——x、y、z方向上的速度分量，m/s；

α——流体热扩散率，m2/s；

αk、αε——湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl，αk=αε=1.39；

μ——动力粘度，Pa·s；

ρ——流体密度，kg/m3。

1.4网格划分

笔者通过SolidWorks软件构建体模型，并通过ANSYS-Workbench软件中的mesh工具进行网格划分。为提高计算精度、减少计算网格数，网格划分采用六面体网格，网格尺寸为0.4mm，垂直板片方向设置20层网格，网格示意图如图4所示。

1.5边界条件

进出口采用周期性边界条件，流道下侧为入口，入口设置为速度入口，入口流速0.5m/s，温度80℃；流道上侧为出口，出口边界采用压力出口边界，设定为0.1MPa。流道前后换热面设置为恒热流边界条件，热流密度为50kW/m2。两侧边界设置为绝热的对称边界条件。计算采用二阶迎风格式。因介质流态为充分湍流，且存在周期性波动，故为非稳态计算。介质为水，介质物性如下：

密度ρ1 000kg/m3

比热Cp4 182J/(kg·K)

导热系数K0.6W/(m·K)

粘度μ1mPa·s

图4 换热板片主换热区流道模型网格示意图

2 数值模拟结果与分析

2.1板式热交换器流道内的速度场

人字形板式热交换器的主要流动形态有两种[10]：十字交叉流和曲折流。流体先在一个板片上沿沟槽流动，当到达板片的边缘时，被反射折转到通道另一个板片的沟槽中流向另一边缘，这种形态称为十字交叉流；流体仍沿沟槽流动，但折返点不再出现在板片的左、右两侧，而是发生在波纹的触点，流动呈连续、并行的小波纹状，这种形态称为曲折流。

从图5可以看出，流体在H-H流道内流动，当遇到波纹触点时，一部分流体改变原来的流动方向而流入另一侧流道，然后螺旋向前流动，形成所谓曲折流。此流道特点是湍流程度大，换热效果强，但压力损失也大。

图5 H-H流道主换热区换热面流体流线图

从图6可以看出，W-W流道波纹夹角明显小于H-H流道，流体在W-W流道内流动时，受波纹触点的影响很小，流体始终沿自身流道流动，形式主要是十字交叉流。此流道特点是流体动量损失和压力损失小，同时湍流程度较小，换热效果差。

图6 W-W流道主换热区换热面流体流线图

从图7可以看出，H-W流道的波纹夹角介于H-H流道、W-W流道之间，触点附近流体的曲折流特征相对明显，相比H-H流道，该流道内压力损失变小，传热效果有所减弱；而相比W-W流道，压力损失变大，传热效果有所增强。

a. H换热面

b. W换热面

相互交叉的人字形波纹通道内流体的流动形态变化是由流体沿波纹方向的动量分量和垂直波纹沟槽的流动阻力两方面的共同作用决定的。由于波纹夹角改变了流体的动力分量方向，也会对垂直波纹沟槽的流动阻力有影响，因此除了波纹倾角、波间距和波高，人字形波纹的夹角也会影响到板片间流体的流动形态。

2.2板式热交换器流道内的温度场和压力场

流体在沟槽中流动时在波纹的交汇点上会受到相对板片沟槽中流体流动的影响，两股流体交汇时的这种切向力会使流体产生漩涡并增大湍流程度，漩涡可以使流体对壁面换热的参与度大幅增加从而能强化热传递，同时触点对周围流体产生扰动，形成湍流，这都是人字形板式热交换器在低雷诺数时就能使传热得到有效强化的主要原因；产生的漩涡会提高流体的阻力，同时触点周围流体的相互拖曳作用也是波纹通道中流体流动阻力较大的主要原因。

由于H-H流道波纹夹角大，两股流体在沟槽中流动交汇时的切向力大，同时该流道单位面积内触点更多，所以湍流程度更强，强化传热更充分，从图8可以看出，H-H流道换热面温度均匀分布，传热效果好，同时流体的动量损耗大；从图9可以看出，H-H流道进出口压力损失明显，呈现明显的递减趋势，压力降增大。

图8 H-H流道主换热区换热面温度云图

图9 H-H流道主换热区换热面压力云图

由于W-W流道波纹夹角小，两股流体在沟槽中流动交汇时的切向力小，同时该流道单位面积内触点少，所以湍流程度较弱，强化传热不充分，从图10可以看出，W-W流道换热面温度分布不均匀，触点处与周围流道温差明显，传热效果差，但该流道流体动量损耗小；从图11可以看出，W-W流道进出口压力比较接近，损失不明显，递减趋势很弱，压力分布均匀，压降小。

图10 W-W流道主换热区换热面温度云图

图11 W-W流道主换热区换热面压力云图

由于H-W流道波纹夹角介于H-H流道、W-W流道之间，所以两股流体在沟槽中流动交汇时的切向力和流道单位面积内触点数都介于H-H流道、W-W流道之间，湍流程度、流体动量损耗也处于中间阶段，从图12可以看出，H-W流道换热面的温度均匀分布程度介于H-H流道、W-W流道之间，相比W-W流道传热效果较好，相比H-H流道传热效果较差；从图13可以看出，H-W流道进出口压降的递减趋势介于H-H流道、W-W流道之间，与之前的速度场分析相吻合。

3 模拟数据对比

为了更具体地研究3种流道模型的传热和流动阻力差异，为开发设计提供更多参考依据，选取热交换器的板间流速在0.3～1.1m/s的工况进行研究。

图14、15为3种流道换热面的传热系数和努塞尔数对比，从图中可以看出，随着流体雷诺数的增大，传热系数和努塞尔数也随之增大，但趋势逐渐趋于平缓，相比于H-W流道和H-H流道的传热系数提高了近10%，W-W流道的传热系数降低了11%左右，各流道的努塞尔数变化与传热系数相当；图16为3种流道换热面的压力梯度对比，从图中可以看出，随着流体雷诺数的增大，压力梯度也随之增加，且增加的趋势越来越明显，相比于H-W流道，H-H流道的压力梯度提高了一倍之多，W-W流道的压力梯度降低了80%左右；图17为3种流道换热面的欧拉数对比，欧拉数代表流体的动量损失率，从图中可以看出，H-H流道的动量损失率最大，W-W流道的动量损失率最小，并且随着流体雷诺数的增大，3种流道换热面的欧拉数均呈递减趋势。综上所述，H-H流道特点是高传热系数、高阻力降，H-W流道特点是中等传热系数、中等阻力降，W-W流道特点是低传热系数、低阻力降，H-W流道换热面的传热系数与压力降均介于H-H流道、W-W流道之间，与之前的数值模拟分析相吻合。

a. H换热面 b. W换热面

a. H换热面 b. W换热面

图14 3种流道换热面的传热系数对比

图15 3种流道换热面的努塞尔数对比

图16 3种流道换热面的压力梯度对比

图17 3种流道换热面的欧拉数对比

4 结论

4.1随着人字形板片波纹夹角的增大，板间流体的流动形式出现从“十字交叉流”向“曲折流”形式转变的趋势，所以除了波纹的深度、倾角、节距3项基本参数外，人字形波纹的夹角也是影响板片间流体流动形态的因素之一。

4.2相比于H-W流道，H-H流道的膜传热系数提高了近10%，W-W流道的膜传热系数降低了11%左右，各流道的努塞尔数变化与传热系数相当。

4.3相比于H-W流道，H-H流道的压力损失提高了一倍之多，W-W流道的压力损失降低了80%左右，相对于传热系数，人字形波纹夹角的改变对流道压力损失的影响更明显。

4.4随着流体雷诺数的增大，各流道换热面的传热系数和努塞尔数也随之增大，但趋势逐渐趋于平缓，增长率不断减小；各流道的压力梯度随之增加，且增加的趋势越来越明显，增长率不断加大；3种流道的流体动量损失均随雷诺数的增大而呈递减趋势。

[1] 秦叔经，叶文邦.换热器[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 蔡毅，贾志刚，周文学，等.人字形波纹板式换热器性能数值模拟的研究[J].计算机与应用化学，2009，26(1)：105～108.

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

[6] 张仲彬，董鹏飞，王月明，等.板式换热器结构优化三维数值分析[J].化工机械，2013，40(2)：206～210.

[7] 李彦洲.板式换热器板片换热和流动特性的研究[D].长春：长春工业大学，2014.

[8] 赵元东，张井志，张冠敏，等.热混合板式换热器换热阻力性能[J].压力容器，2013，30(8)：46～53.

[9] 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.

[10] 栾志坚，张冠敏，张俊龙，等.波纹几何参数对人字形板式换热器内流动形态的影响机理[J].山东大学学报，2007，37(2)：34～37.

NumericalSimulationofChevron-typePlateHeatExchangerwithDifferentWaveAngles

WU Si1, LI Chun-lan1, WANG Sen1, LI Zhan-ying1, ZHU Hai-zhou2

(1.LanzhouLSEnergyEquipmentEngineeringInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730314,China; 2.LanzhouLSHeatExchangerEquipmentCo.,Ltd.,Lanzhou730314,China)

The main heat-exchanging zone’s model of three heat flow channels which constituted by chevron-type plates which boasting of 60°and 120° wave angles was built; and making use of CFD software to simulate both flow and heat transfer of the fluid within these three channels and to analyze the velocity field, temperature field and the pressure field there was implemented to show that, the inclined angle of chevron-type plate is one of factors which influencing the fluid’s flow pattern; and both heat transfer performance and pressure loss within channels become increased with the increase of chevron-type wave angles; and compared to the heat transfer performance, the influence of the change of wave angles on the flow channel’s pressure loss is more obvious.

plate heat exchanger, chevron-type plate, numerical simulation, heat transfer coefficient, pressure drop

*吴 私，男，1988年11月生，助理工程师。甘肃省兰州市，730314。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)06-0770-06

2015-11-24)