板式换热器传热特性的数值模拟研究

张玉宝

( 中车齐齐哈尔车辆有限公司，齐齐哈尔 161002 )

板式换热器传热特性的数值模拟研究

张玉宝

( 中车齐齐哈尔车辆有限公司，齐齐哈尔 161002 )

以工业广泛使用的板式换热器为研究对象，模拟了人字型波纹板片组成的冷热双流体通道的流动和换热，分析了板式换热器流道内的速度场、温度场和压力场，研究了波纹板片的几何参数对传热特性的影响规律。

板式换热器；数值模拟；波纹板

1 引言

能源需求量的持续增长成为制约我国经济发展的核心问题之一，解决办法是除了改变能源结构，发展新能源外，另一个重要方向是提高能源利用效率。

板式换热器作为一种重要的换热设备，它因换热效果好、结构紧奏、易清洗、占地面积小等优点，近几十年已广泛应用于制冷、化工、石油、航空、火箭与航天等工业领域中。与其他形式的换热

器相比，板式换热器在运行过程中存在流动阻力大、承温承压能力低等的缺点[1-3]。因此，提高换热效果、降低流动阻力、节能降耗，具有重要的意义。

本文采用数值模拟的方法，应用流体软件FLUENT对板式换热器进行了流动和换热性能的模拟，分析了板式换热器流道内的速度场、温度场和压力场，研究了波纹板片的几何参数对传热特性的影响规律。

2 数值计算模型与网格划分

2.1 物理模型

本文对波纹板换热主流区域进行建模，研究其换热与阻力特性。图1为双流体通道计算模型，冷热流体单边逆向流动，上侧流道为冷流体，右端流入，左侧流出；下侧流道为热流体，左侧流入，右侧流出。

图1 双流体通道计算仿真模型

2.2 边界条件的设定

进出口边界条件：进口采用速度入口边界条件，热流体进口温度为360K，冷流体进口温度为300K。冷热出口采用压力出口边界条件，出口静压设定为标准一个大气压。

壁面边界条件：外部边界为无滑移速度边界条件，冷热流道相接触的面设定为耦合换热面，其余各面设定为绝热边界条件。

2.3 网格划分

由于换热器中波纹板间流道复杂多变，板式换热器结构的三维实体模型采用Patch Independent、sizing四面体网格划分算法，最小单元尺寸为0.8mm。网格划分如图2所示。

图2 模型网格划分图

3 数值计算方法

由于研究的传热问题不涉及相变，冷热流体通道内的温差较小，故作以下几点假设：

(1)流体流动为定常流动，流体为不可压缩的牛顿流体；

(2)重力和由于密度差异引起的浮升力忽略不计；

(3)流体的热物理性能，被认为与温度和压力无关，通道中冷热流体的流量分配均匀，考虑流体的粘性耗散作用。

采用FLUENT 12数值求解双流体通道波纹板式换热器的对流换热过程，压力与速度的耦合采用PISO算法，控制方程中的对流项和扩散项的离散均采用二阶迎风格式，数值模拟仿真时采用RNGk-ε湍流模型。

4 数值模拟结果与分析

4.1 流道内的速度场、温度场和压力场

图3为波纹板式换热器流道内截面Y=1.6mm速度云图。从图中可以看出流体受到两侧波纹板的排挤作用，流体在波纹通道内主要是沿着流道方向运动。由于波纹板片是反向180°布置，流体在沟槽的折返流动时会改变流动方向，同时也会受到相对于波纹板片流体作用的切向力，这种切向力可以使流体产生漩涡和增大强化传热的作用。

图3 截面Y=1.6mm速度云图

图4为波纹板式换热器通道内冷热流体通道温度变化云图，a图为冷通道温度变化云图，b图为热通道温度变化云图。

图4 温度变化云图

从图中可以看出当流体进入波纹板通道时，热流体区域沿流动方向(沿X轴正方向)温度逐渐降低，冷流体沿着流动方向(沿X轴正方向)温度逐渐升高。由于冷热流体通过波纹板耦合传热，所以热流体区域温度降低的程度要比冷流体区域温度升高的程度大一点。热流体通道的流体温差变化较大，而冷流体通道内的流体温差变化不大。

图5为波纹板式换热器流体通道内截面为Y=1.6mm压力云图。流体沿X轴正向流动，下面为进口，上面为出口。从图中可以看出压力梯度的变化分布沿主流方向上呈逐渐降低的变化，在流体入口处压力梯度变化较大，总体上压力梯度变化较为均匀。

图5 截面Y=1.6mm压力云图

图6 努谢尔特数随波纹倾角的变化

4.2 波纹倾角对传热特性影响

努谢尔特数[4]表示壁面上对流换热系数的无量纲表达形式之一，它的大小表示了对流换热的强弱。

在波纹板片其他参数不变的基础上，模拟计算了波纹倾角β在40°、50°、55°、60°、70°、80°时板式换热器的传热特性和压降特性。图6为波纹倾角β和努谢尔特数Nu的变化关系。从图中可以看出β在60°附近时努谢尔特数最大，传热特性最优。

4.3 波纹节高比对传热特性影响

在波纹倾角为60°不变的情况下研究不同的波纹节高比对换热和压降的影响规律。图7为努谢尔特数随波纹节高比变化情况。

图7 努谢尔特数随波纹节高比的变化

从图7中可以看出随着波纹节高比的增大，传热系数有明显的下降趋势，也就是说波纹法向距离越大，波纹高度越小，其传热的效果越差。但当波纹节高比大于6.19时会有所提高，经过计算节高比在6.19时雷诺数为1085。雷诺数大于这个值的时候采用大的波纹节高比的波纹板片时换热效果比较好，雷诺数小于这个值的时候选择波纹节高比越小的板片传热效果越好。

5 结论

本文利用数值模拟方法模拟板式换热器双流体通道耦合换热情况，分析换热器的速度场、温度场、压力场，并分析波纹倾角、波纹节高比对传热系数的影响规律，60°附近的波纹倾角传热系数最大，换热效果最好；波纹节高比对传热系数的影响规律是先减小后增大，节高比为6.19是一个转折点。

[1] 吴晶，夏梦，叶莉，等.板式换热器强化传热数值研究及热阻分析[J].工程热物理学报，2012，11(33)：1963-1966

[2] 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

[3] 邵拥军，逯凯霄，张文林.板式换热器的特点与优化设计[J].广州化工，2012，40(6)：120-122

[4] A G Kanaris，A A Mouza，S V Paras.Optimal design of a plate heat exchanger with undulated surfaces.International Journal of Thermal Sciences.2009，48:1184-1195

Numerical Simulation Study on Heat Transfer Characteristics of Plate Heat Exchanger

ZHANG Yubao

( CRRC Qiqihar Rolling Stock Co.Ltd，Qiqihaer Heilongjiang 161002,China )

Plate heat exchanger widely used in industrial is used as the research object to simulate flow of fluid channel and heat transfer of hot and cold dual-channel consisted of the herringbone corrugated plates, analyze the velocity field, temperature field and pressure field of plate heat exchanger′s flow passage and study the influence law of the corrugated board sheet′s geometric parameters on heat transfer characteristics.

Plate Heat Exchanger；Numerical Simulation；Corrugated Board

2016-9-5

张玉宝(1988-)，男，工程师，硕士，主要从事机械设计与制造、低温与制冷等领域。Email：zhangyubaohappy@163.com

ISSN1005-9180(2017)02-074-04

TQ021.3 文献标示码：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.016