人字形板式热交换器的数值传热模拟

刘思宇

（中核辽宁核电有限公司，辽宁兴城 125100）

0 引言

人字形板式热交换器是核电厂中所普遍使用的间壁式换热器，具有纯逆流、结构紧凑、有限空间内换热面积大、传热效率高等优点，弥补了管壳式换热器的不足，因冷、热流体彼此间互不接触渗透混合这一特性使其成为一种使用广泛、需求量大的换热装备[1]。换热板是板式换热器的核心部件，板片表面冲压的形状与几何尺寸决定其传热与流阻性能[2]，依靠换热板表面冲压不同形状并按一定分布规律使流体流向与流速发生变化，促使扰流程度增强，从而提高换热效率。

1 FLUENT在换热器模拟中的应用

FLUENT作为CFD中的一种，是用来模拟与分析流体流动、传热和冲蚀等问题的软件[3]。FLUENT对换热器进行模拟时主要涉及的部分有物理模型、有限元模型、边界条件、湍流模型、控制方程和相关参数及属性等。利用GAMBIT软件来完成物理模型、网格划分及边界条件的定义。再导入FLUENT进行流体的性能分析，由于处于湍流中的流体具有强烈的扰流程度，使换热变得更加的充分，因此对换热器进行模拟时采用标准k-ε湍流模型[4]。

2 人字形传热板概述

人字形传热板片是由一系列人字状波纹沿其轴向按照一定间距分布而成周期性变化，板束是由许多人字形传热板片按一定间隔通过橡胶垫片压紧而成，此种结构不仅使支撑强度与承压能力增强而且使流体受扰程度剧烈流，曲折人字形状流道会不断地改变流质流速与流向进而使导流区的规则流在主传热区转变为交叉流，从而产生二次流动，使其在很低的流速下就能达到湍流状态以至于有很高的传热效率及热回收率[5]。

3 强化传热机理

具有温差的两种流质在忽略热量损失的情况下，其换热模式总是从高温向低温过度进而达到动态平衡。层流与湍流为流体流动的两种基本形式，层流一般发生于传导而湍流一般则发生于对流[6]。层流是有规则的，但因流道壁的摩擦力致使流质在壁面上的流动缓慢，湍流是无规则涡流流动，但流道壁周围总会呈现层流膜，湍流程度的增强导致管道壁层流膜变薄，实现在单位有效换热面积最小的基础上传递相同热量，进而达到最高的换热效率。

根据单位时间内换热量Q=KAΔtm，其中换热温差Δtm、传热系数K与有效换热面积A是换热量的主要承担因素[7]，若增大换热量，就必须增大三者之一。换热系数越高，传热效率就越大，需要的换热面积就小，而换热温差由同向流与逆向流决定，相同工况下，逆向流的换热温差要高于同向流，故逆向流换热模式的热交换器具有结构紧凑的特点。

4 模型的预处理

人字形传热板片按照主传热区沿其轴向的波纹角度大小可分为大于90°硬板H与小于90°软板W两类，换热效率的高低取决于波纹角度、波纹深度、分布间距等，但影响最大的因素为波纹角度。本次传热模拟的流质模型具有相同的换热面积与流通截面积，在分布间距P=3 mm与波纹深度D=0.5 mm相同的工况下，对角度为60°的软板与角度为120°的硬板在不同流速下进行模拟分析，入口速度以流量1 m/s为基准按0.2 m/s间隔递增，直至2.0 m/s为止。模型的预处理包括网格划分、边界条件设定及确定求解方法等3部分。首先通过三维建模软件PROE生成实体模型，再将实体模型另存为IGES文件后导入Gambit中进行网格的划分和边界条件的设定。由于波纹板模型结构的复杂性，在网格划分的过程中很容易出现扭曲度较大的网格进而会对网格的划分质量产生一定的影响，网格质量的优劣是模拟计算的关键部分，故本次均采用非结构化网格中的Tet/Hybrid网格单元进行划分，网格的间距取0.65 mm，硬板H与软板W的局部网格划分分别如图1和图2所示。

图1 硬板H局部放大网格

图2 软板W局部放大网格

通过实际工况设定模拟边界条件，入口设置为Velocity inlet，出口设置为Pressure outlet，板管壁面与侧面均设置为不可渗透的无滑移边界。入口温度为40℃，板管内介质为水，板壁面温度为恒壁温12℃。本文模拟计算均选用SIMPLE算法进行离散计算，其相应的参数选择为默认值。湍流模型选择为标准k-ε模型，湍流参数中的湍流强度定义为4.7，水力半径定义为0.2 m。选择二阶迎风的格式对模型进行离散化处理[8]，在计算过程中所涉及的方程有动量方程、湍流方程、质量方程和能量方程，其残差精度不同[9]。计算结果是否收敛将通过设定的残差曲线来进行判定，当曲线达到平稳且无较大波动时，计算可视为收敛[10]。

5 模型结果分析

通过FLUENT软件的后处理功能，可将计算结果经过可视化的云图、矢量图等显示出内部流体的流动状态及变化规律。

图3与图4分别为软板W与硬板H的速度矢量图，从轴向截面侧与换热面侧均可以看出，传热板表面上沿流质运动的轴向形成多组流道，不同区域的流速大小与方向各不相同。由于流通截面积不断变化，凸起处因流动空间较大致使流速降低，凹陷自支撑处因流通截面积变小致使流速明显增加并沿流质入口至出口的轴向呈周期性不断变化。

图3 软板W局部轴向速度矢量图

图4 硬板H局部速度矢量图

图5与图6分别为软板W与硬板H的轴向截面压力云图，从轴向截面图中可看出流体的流动方向是从左向右的，且压力以较强的规律性呈周期性逐渐减小趋势，在流体进入时压力呈现出最大值，而流出时则呈现出最小值。在凸起区域的压力变化差异较大，尤其当流体流进自支撑结构区域时，其压力梯度变化显著，原因是由换热板内流通面积逐渐变大又变小所造成的。

图7与图8分别为软板W与硬板H的轴向截面温度云图，从图中可以看出温度沿轴线方向是逐渐降低的且分布规律性较强，在凸起与凹陷处变化显著。图9与图10分别为软板W与硬板H的径向截面温度云图，从图中可以看出流质在主传热区的流态为交叉对流换热，进而实现流质在流道中的纵横交错传热，提高换热效率。

图5 软板W轴向截面压力云图

图6 硬板H轴向截面压力云图

图7 软板W轴向截面温度云图

图8 硬板H轴向截面温度云图

6 数据处理及对比分析

对模拟数据进行处理，得到软板W与硬板H在不同流速下的压力降与膜传热系数性能曲线对比图。图11为软板与硬板压降对比变化曲线图，从图中可以看出，随着流速的递增，两者的压降也呈现递增状态。对比相同流速下两者的压降变化可以得出硬板始终处于较高的状态。图12为软板与硬板的膜传热系数对比曲线图，从图中可以得知，两者的膜传热系数均随着流速的增加而逐渐增大，且流速越大，彼此之间的差距就越明显。相同流速下，硬板的膜传热系数大于软板，但膜传热系数的增大相应的会带来较大的压力损失，而压降大是受到了流通面积的制约。

图9 软板W径向截面温度云图

图10 硬板H径向截面温度云图

7 结论

通过FLUENT软件的数值模拟分析，得出人字形板式热交换器主传热区因流通截面积的不断变化，致使流态空间较大的凸起处流速降低，流态空间较小的自支撑处流速明显增加，并沿流质入口至出口的轴向呈周期性高低交错变化。在流体进入时压力呈现出最大值，且以较强规律呈周期性逐渐减小趋势，原因是由换热板内流通面积大小交错变化所造成的，而当流出时则呈现出最小值。主传热区温度从流质入口到出口处呈逐渐递减变化趋势，流质在横纵流道内进行交叉对流换热，进而实现流质在流道中的纵横交错综合换热，提高换热效率。

图11 软板与硬板压降对比变化曲线

图12 软板与硬板膜传热系数对比变化曲线

人字形板式热交换器硬板与软板在压降、膜传热系数与单位压降传热系数方面的对比分析，得出随着流速的不断增大，硬板与软板的压降与膜传热系数呈递增趋势变化且硬板高于软板，相同流速下硬板相比软板，压降与膜传热系数一直处于较大的状态，硬板换热效率高但流动阻力大，软板流动阻力小但换热效率低。掌握其内部流场分布规律可以为今后的维修奠定一定的理论与技能基础，同时为换热设备进一步优化提供新思路和新技术。