板式换热器板片结构参数对换热性能影响的分析

陈琼光

摘要：本文针对板式换热器进板片的波纹结构行数值模拟分析进行简单分析。我们研究的重点就是从数值模拟仿真入手，利用CFD软件，进行流场分析、计算、预测的专业软件。通过uG软件，可以分析并显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳效果，为后续更好的研究找到方向。

关键词：板式换热器板片；数值模拟；UG

1引言

换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一种通用的换热设备。冷热流体的换热均发生在换热板片上，此外还要承受板片两侧的流體压差，所以作为板式换热器传热部件的板片研究、开发越来越受到重视。板式换热器的性能主要体现在总传热系数和压降两方面。

本文基于板片的初步模型，和板式换热器流动与换热机理，应用有限元和理论分析相结合的方法，围绕板式换热器板片结构参数对换热性能的影响分析展开研究。运用3D软件对人字形波纹板式换热器板片进行建模及分析。

2主要研究内容

现有的板式换热器设计多以选型计算为主，选配过程中局限性较大。有时受操作工艺、操作空间等客观因素限制，厂家现有板片无法满足生产劳动特定性能及运行特征的要求，就要根据实际操作参数，进行板片的开发成型设计。因此研究特定条件下板片几何参数对换热性能的影响，对板片开发成型设计工作具有现实指导意义。

现在的研究方式基本上是：数据分析、实际应用经验、研究性试验数据分析等。这些方法是可行的，可是周期长、成本高、对过程计算要求精确，任何中间环节出现问题，都会导致后续研究无法进行，或浪费大量时间。近年来，随着计算机技术的高速发展，有限元法已经在结构工程强度分析方面得到了非常广泛的应用。

本文利用UG软件进行板片的结构设计、网格划分，通过有限元分析对人字形波纹板式换热器内流体的流动和换热进行数值模拟分析，具体的分析有以下几个方面。

（1）通过在其他条件都一定的情况下，不同波纹角度的板片结构分析，得到板片换热性能较好区域；

（2）通过在其他条件都一定的情况下，不同波纹深度的板片结构分析，得到波纹深度性能最优区域；

（3）通过在其他条件都一定的情况下，不同波纹间距的板片结构分析，得到波纹间距较好区域。

3模型建立

根据板式换热器板片制作图建立分析计算模型，模型按照设计的要求，包括板片波纹形式、主要结构特点。将建好的物理模型，划分成可计算的网格模型。在流体的模拟计算过程中，为保证计算的速度和突出计算的重点，所以在用FLUENT前处理软件建立蒸发冷却器的网格模型时，应该对板片模型做相应简化。

由于板片为不规则模型，不能直接生成结构性网格，且板片结构中所包含的物理模型比较复杂，不规则的网格模型会加大计算收敛的难度和影响计算的精度。如果在划分网格时适当的将板片进行分区，分成圆柱、圆弧等一些规则模型。这样可降低网格划分的难度，并且提高网格的质量。

首先对现有产品做整体性能分析，进一步验证本文研究范围的合理性。通过分析数据得到，板片波纹形式对流体流速、阻力有着决定性的影响，是影响换热性能的重要因素。所以，确定本研究不再过多考虑板片角孔区、导流区对整体换热影响，重点分析板片的波纹倾角、波纹深度、波纹间距不同时对板片换热性能的影响。并且制定了分析方向，得到分析结果。在有限元数值模拟分析后，得到各种条件下呈现的不同的速度场、温度场、压力场。

4基本方法

通过分析影响换热性能的主要因素、板片的结构特点，做出更适合分析的流体分析模型，找到课题研究和结果的决定性因素和参数。基于板片的模型参数，进行初级建模，然后利用有限元分析模块功能对初级模型进行数值模拟分析。

板式换热器设计主要考察整体的压力降和总体换热系数，压力降直接影响到板式换热器的大小，而总体换热系数则直接影响换热器整体换热性能。换热系数的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速一总传热系数曲线估算方法。目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。

通过以上各个物理参数的关系，可以看出，当换热量相同，温度相同，传热系数越高，所需要的换热面积就越小，这样产生的成本就越低，这是在生产过程中所追求的。这就提示我们在做设计的时候要更多的考虑如何提高板换的效率，这个任务就很自然的落到了每个板片上面。

6结束语

本文根据人字形波纹板片的实际结构和尺寸，建立了冷热双流道换热计算模型，运用计算流体力学软件对板式换热器内流体的流动和换热特性进行了三维数值模拟研究，对板片的结构给出了优化建议。进行的板片结构参数对板式换热性能影响的分析，对企业进行板片设计、改造、生产等都具有重要指导作用，同时对板式换热器的整体换热性能的研究提供了核心依据。