板式换热器进口处液体分布器的数值模拟*

王传伟 贾文广 梁晓明 闫景路 张克锐

（青岛科技大学 青岛 266100）

1 引言

节能是低碳发展的第一战略［1～2］。随着单体装置大型化的需求越来越高，管壳式换热器面积要求不断做大，加工难度，制造质量都难以保证［3～7］。全焊接板式换热器在生活生产中是一个关键的设备，融合了集板式换热器和管壳式换热器的优点，一方面保留了板式换热器高效、结构紧凑的特点，另一方面兼具管壳式换热器耐高温、高压的特点，是一些特殊热交换工艺中替代管壳式换热器的最理想的设备［8～11］。但是对于宽流道全焊接板式换热器的应用，仍然存在一定的问题，当流体通过法兰接管进入板式换热器内，由于流速和压降原因导致流体未被均匀分布就与换热芯体接触，从而使冷热流体刚进入换热器内都未进行均匀分布，因此在该流程的换热效果不佳，还可能生成部分死区，未能达到换热芯体的充分利用，从而使热量未能进行充分的换热。针对全焊接板式换热器所出现的这一问题的研究相对较少，所以本文所展现的是一种针对全焊接板式换热器的新型分布器，该分布器能解决全焊接板式换热器的流体分布不均情况。本文对分布器的数值模拟和分析，可以为研究分布器的研究员提供参考。流体通过该分布器，可以更好地使流体均匀分布，流至换热芯体，使冷热流体在该流程内接触面积更广，增加该流程的换热，从而提升整个换热器的换热效率，更加接近设计结果。对于板式换热器的液体分布器的均匀分布性评价标准较为重要，其中布液均匀性是衡量液体分布器效果的重要指标［12］。但通过对换热器流量分配不均匀性得6种评价方法进行比较，采用相对标准偏差值衡量流量分配的不均匀性相对较为合理［13～15］。

2 液体分布器模型介绍

2.1 圆柱型液体分布器几何模型

本文对于圆柱型液体分布器进行研究和改进，其结构的纵向长度为H，横向是由长度为2L的板面沿中心线折叠而成，其中折叠角度为β，如图1所示。其中横向和纵向的长度根据不同的流程空间而确定，而倾斜角度的变换，圆柱孔直径的大小都会对流体的均布情况产生显著的影响。在具体的流程空间中可得到位置示意图如图2所示。

图1 液体分布器几何结构

图2 板式换热器进口处液体分布器的位置示意图

在液体分布器制造过程中，我们要保证支撑板与液体分布器垂直焊接，再把液体分布器与支撑板垂直焊接到换热器的盲板之上，保持流体方向与支撑板平行，并且与液体分布器的折叠处保持垂直。倾斜角度β可以使流体呈上下分布，而圆柱孔是流体的基本流动路径，从而使流体分布更广散。在一定程度上，液体分布器会使流体的流动情况趋于均匀化。在新型液体分布器中，流体流入芯体前相比于无液体分布器的流动情况，其均匀性更高。

2.2 液体分布器数学模型

本文进行模拟分析所依据的数学模型主要采用以下假设。

1）工作介质为连续不可压的牛顿流体；2）忽略重力以及由于密度差异引起的浮升力；3）在给定流速下假定整个流动区域为稳态流动；

4）可认为介质流动为低速流动，忽略流体流动时的粘性耗散作用所产生的热效应；

5）由于流速低、流体为不可压缩的粘性流体，所以忽略压力和温度对流体比热容和粘性系数的影响，将通道内的流体设为常物性。

本文的计算区域内流体流动与换热的控制方程如下。

（1）连续性方程：

其中，ux、uy、uz为流体流动的速度分量，m/s。

（2）动量方程：

其中，ui为流体在i方向的速度分量，m/s；xi为所选坐标，m；ν为运动粘度，m2/s。

（3）能量方程：

其中，a为热扩散率，m2/s。

本文在进行模拟时，选用RNG k-ε湍流模型。

2.3 液体分布器流场均布理论

本文采用相对标准偏差值Cv来定量评价断面速度均匀性，其值越小表明数据越均匀，Cv的表达式为

2.4 液体分布器网格划分

液体分布器利用SolidWorks软件建立物理模型，首先导入Workbench软件中Geometry模块中对物理模型进行改进，然后导入ICEM网格划分软件中进行网格划分如图3和图4所示，网格数量为213万。

图3 液体分布器网格划分图

图4 板式换热器入口流道网格划分图

3 模拟结果分析与讨论

3.1 无液体分布器与圆柱型液体分布器模拟对比结果分析

本文设定无液体分布器和圆柱型液体分布器两种情况下的入口流速均为0.50m/s，而两种情况下的出口流速不同，分别为0.50m/s和0.38m/s。两种液体分布器情况的对比结果如表1所示。

表1 液体分布器情况的对比结果

同无液体分布器的流体相比，由于圆柱型液体分布器存在大小排列的孔和板面折叠夹角，因此流过圆柱型液体分布器的流体与芯体的接触面积较大。同时流体流经圆柱型液体分布器时，由于液体分布器具有使流体流量均布的特性，使得出口流速相对偏差值显著降低，从而可以达到提高流体流量均布的效果。

3.2 圆柱型液体分布器情况模拟结果分析

本文对圆柱型液体分布器进行结果分析，物理模型的变量分别为孔的直接大小和板面的折叠角度β，其中孔的直径分别为4mm、6mm、8mm，折叠角度分别为0°、15°、30°、45°、60°，在圆柱型液体分布器模拟中将变量分为四组，分别通过对流过孔处的流体速度进行监测，得到理论分析结果如表2所示。

表2 圆柱型液体分布器分析

根据表中所得分析数据显示：当孔直径大小相同时，对比圆柱型液体分布器四种不同的板面折叠角度，可以得出第二组的折叠角度为15°时的出口流速相对偏差值相对较低；当确定采用第二组板面折叠角度为15°的圆柱型液体分布器后，再对比三种不同的孔直径大小，可以得出在确定板面折叠角度为15°的情况下，相比4mm和6mm的孔直径大小，8mm孔直径的出口流速相对偏差值较低。

因此，当液体分布器的折叠角度为15°，孔直径大小为8mm时，流体流过圆柱型液体分布器后的均匀分布性相对较优。

4 结语

本文根据板式换热在进行热量交换热时，流体经过接管进入换热器会出现流体流量分布不均匀的情况，因此需要针对流体流量均匀性的研究提出一种较优的液体分布器情况。本文首先针对无液体分布器与圆柱型液体分布器两种情况的模拟结果进行对比分析，确定流体流经圆柱型液体分布器的流量均匀分布性较优后，再对圆柱型液体分布器情况进行模拟结果分析，得出：

1）对圆柱型液体分布器通过SolidWorks软件进行物理建模，利用ICEM网格划分软件进行网格划分，最后用Fluent软件进行数值模拟计算。在数值计算过程中，在液体分布器的适当位置处设置相应的监测点，从而在下文对液体分布器的相对偏差值Cv进行对比奠定了基础。

2）基于相对偏差值Cv对比分析无液体分布器和圆柱型液体分布器的流体均布情况，结果表明圆柱型液体分布器的流体速度相对偏差值为8.6%，其均匀分布性相对于无液体分布器时明显提高50%左右。

3）基于相对偏差值Cv对圆柱型液体分布器进行分析，分别对孔的大小和折叠角度为β进行数值计算与速度检测，结果表明当液体分布器的孔直径为8mm，折叠角度为15°时，其流体速度相对偏差值相对较小，仅为7.16%，显著地提高了流体的流量均匀分布性。