酒窝型板式换热器流动换热特性分析及优化

2023-10-18耿士江李政道朱胜民王子星陶文铨

暖通空调 2023年10期

刘斌耿士江李政道朱胜民王子星张卓陶文铨△

(1.浙江英特科技股份有限公司,安吉;2.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室,西安)

0 引言

能源消耗越来越多,能源危机日益凸显,并且对环境造成了巨大的影响。值得注意的是,在多个工业领域,都以热能的形式消耗了大量的能源。在中国,工业领域能源消耗量占全社会能源消耗总量的65%左右,此外,中国70%的二氧化碳排放量都是这些与热能消耗相关的过程产生的。除了产业结构不合理、生产工艺相对落后外,流动阻力偏高、换热效果不佳也是造成能耗高的重要原因,如何提高换热系统的热效率成为亟待解决的问题。因此,提高换热器效率,对助力“双碳”目标的实现具有重要意义。

在这种背景下,换热强化技术得到了快速的发展,到20世纪90年代初,与换热强化有关的文献每年都以成倍的速度增长[1-2]。这些研究总体上可分为主动技术与被动技术2类。主动技术通过消耗外部能量来影响流体流动,从而对换热进行强化,主要包括机械振动、超声波[3]及外部施加电场、磁场等;被动技术则通过扩展表面[4]或增加湍流度来对换热进行强化,主要包括肋[5]、波纹、酒窝[6]、纳米流体[7]等。酒窝作为被动技术的一种,具有制造成本小、维护简单的优点,此外,它可以在低流动阻力损失下大大提高换热速率,因此被认为是一种很有潜力的被动技术。下面以球形酒窝为例对酒窝的换热强化机理进行简要阐述。图1所示为一球形酒窝结构,在流体流经该球形酒窝过程中,会产生回流,上游区域发生流动分离,该区域换热较弱;而在下游,会产生冲击流动区域、向上流动区域及流动再混合区域,在这些区域换热较强,因此整体上酒窝将对流动换热起到强化作用[8],要强化酒窝的换热,应当朝着减小回流区、增大冲击流动区域的方向改进。

图1 酒窝内流动结构

许多实验和数值研究已经证明了酒窝对于强化换热的作用,以下是近几年的研究成果。Katkhaw等人将45°椭球形酒窝交错布置在光滑平板上,结果表明,与光滑平板相比,换热系数可以提高21.7%[9]。Vorayos等人将球形酒窝设置在光滑平板上,分别进行错排与顺排的性能对比,结果表明,与光滑平板相比,错排酒窝板和顺排酒窝板换热系数分别提高了26%和25%[10]。Shen等人将酒窝布置在燃气轮机后缘冷却通道内,结果表明,根据不同的结构,换热增强范围在30%～70%之间[11]。Isaev等人对酒窝深度与换热效果及压降间的关系进行了研究,结果表明,随着酒窝深度的增大,换热系数和压降都会增大,但总换热量的增加往往小于阻力损失的增加[12]。酒窝的凹凸分布也会对流动换热产生影响,Du等人研究了酒窝分布及旋转数对设置有短肋的通道换热的影响,结果表明,在短肋的下游放置一个酒窝,会在酒窝的后部形成一个有利于换热的小冲击区域,可以借此强化换热[13]。Li等人对比研究了椭圆形酒窝、球形酒窝和锥形酒窝内的流动结构及换热情况,结果表明,与其他2种酒窝相比,椭圆形酒窝有着相近的换热效果及相对更小的压力损失[14]。

虽然酒窝具有较大的强化换热潜力,但由于其强化是通过增强对流体的扰动来实现的,因此酒窝的使用势必会带来额外的压降,如何平衡强化换热与压降提高的关系,在可接受的压降范围内设计出满足换热需求的酒窝成为了研究的重点。

本文以某公司实际使用的板式换热器为研究基础,基于该公司的板片结构及运行工况等信息,对其结构进行分析。在此基础上提出2种新的酒窝结构以强化其换热效果,利用ANSYS商业软件对其换热效果进行模拟分析,并以等泵功下性能评价指标作为衡量其换热强化效果的指标,验证了所设计酒窝的换热效果,可为改进该换热器设计提供参考。

1 原始板片分析

1.1 原始板片结构分析

图2a为换热器原始板片一侧俯视图,其上主要有3种结构,分别为大型棒状酒窝、圆台酒窝及小型棒状酒窝,局部放大图见图2b,3种酒窝的几何结构如图2c～e所示,尺寸参数如表1～3所示。将板片旋转90°并放置于原板片上,使2个板片的大型棒状酒窝与圆台酒窝相互接触,即可形成热通道,再将一原始板片放置其上即可形成冷通道,如图3所示,通过这种方式不断构造冷热通道,冷热流体为交叉流动。

表1 大型棒状酒窝尺寸参数 mm

表2 圆台酒窝尺寸参数 mm

表3 小型棒状酒窝尺寸参数 mm

图2 板片结构

图3 冷热流道

由于板片尺寸较大,同时考虑到几何结构的某种对称性与周期性,为节省计算资源,取换热器板间流道的1个典型部分进行研究,以其流动换热特性来代表板间流道的整体换热特性。此外大型棒状酒窝及圆台酒窝深度较大,其对流体流动的影响远强于小型棒状酒窝,因此忽略小型棒状酒窝的不对称分布,根据大型棒状酒窝及圆台酒窝的对称特性划分出3类流道,图2a中1、2、3即为所划分出的3类流道。

由于第2类流道占据了总流道67%的面积,因此对第2类流道进行模拟计算。此外,由于该板片为中心对称结构,因此冷热流道结构相同,对热流道进行模拟计算即可代表冷热流道的换热性能。

该换热器的结构参数及冷热风基本条件如表4所示。

表4 基本参数

1.2 物理模型

数值计算区域长度为1 205.0 mm、宽度为80.0 mm、高度为7.5 mm,如图4所示。以热流体板间换热为研究对象,图4a中深色部分为板间流体域,其长度为705 mm,两侧界面为对称边界;上下界面为第一类边界条件,假定板片温度为289.15 K,由于采用了给定壁温的条件,因此不需要固体区域与流体区域的耦合计算。对于湍流换热,根据文献[15],边界条件设置对计算结果的影响可以忽略;入口处为均匀速度入口,温度为热流体温度,即308.15 K,由体积流量及板间距可得速度为2.48 m/s。为使仿真结果更接近工程实际,进口没有增加延伸段。为消除出口处回流对计算稳定性的影响,在出口处增加了1段长度为500 mm的延长段,如图4a中灰色部分所示,其两侧界面为对称边界,上下界面为绝热边界,出口处设为压力出口。由于延长段没有换热,因此延长段不影响换热量的计算。流动雷诺数为4 871,为湍流流动,采用具有较高精度的K-ωSST方法进行计算[14,16]。此外,采用SIMPLE算法实现压力-速度耦合,采用二阶迎风离散对流项,采用中心差分离散扩散项。

图4 计算域

1.3 控制方程

对于稳态、常物性、无内热源的不可压缩流动换热问题,控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程[17]。

1.4 网格无关性考核

采用非结构网格对流道进行区域离散,原始板片流道的局部网格如图5a所示,并对其进行网格无关性考核,连续性方程、动量方程与能量方程的收敛标准分别为误差小于10-4、10-3及10-6。计算了网格数量分别为4 860万、6 837万、8 276万个时的进出口压差,其结果如图5b所示,最终选择8 276万个网格进行计算。

图5 模拟计算网格

2 换热计算

换热量为

Φ=qmhcph(Th1-Th2)

(1)

式中Φ为换热量,W;qmh为热流体质量流量,kg/s;cph为热流体比定压热容,J/(kg·K);Th1为热流体入口温度,K;Th2为热流体出口温度,K。

对流换热的平均温差为[15,18]

(2)

式中 ΔTmh为对流换热的平均温差,K;Tw为板片壁面温度,K。

面积平均对流换热系数为

(3)

式中h为面积平均对流换热系数,W/(m2·K);A为等效投影面积,m2。

3 2种改进板片热工特性分析

3.1 改进板片1的流动换热特性分析

Xie等人研究了酒窝内突出结构对换热的影响,结果表明,在酒窝内添加突出结构,会抑制上游区的回流,从而提高换热效果[19]。因此,改进板片1在小型棒状酒窝内两侧各添加1个球形突出结构,两侧的半球形结构改为半椭球形结构,排列方式改为凹凸间隔排列。该小型棒状酒窝的轴测图如图6a所示,其几何视图如图6b所示,尺寸参数如表5所示。

表5 改进板片1小型棒状酒窝尺寸参数 mm

图6 改进板片1小型棒状酒窝

保持大型棒状酒窝及圆台酒窝深度不变,缩小其长度和宽度,使其在保持支撑作用的同时减小整体压降,为小型棒状酒窝的结构改进留出足够的压降空间,从而实现整体换热效果的增强,其结构分别如图7a、b所示,局部结构的俯视图见图7c,尺寸参数如表6、7所示。改进板片2的大型棒状酒窝及圆台酒窝也作相同处理。

表6 大型棒状酒窝尺寸参数

表7 圆台酒窝尺寸参数

图7 改进板片1

下面以Re=4 871的数值模拟情况为例,对改进板片1的流动换热特性进行分析。图7c区域流体流动方向自下向上,分别对原始板片及改进板片1中小型棒状酒窝内流动进行分析,在区域1和区域4,酒窝内流线分别如图8a、b所示。

图8 改进板片1酒窝内流线图(Re=4 871)

由图8可以看出,增加突出结构后,减小了回流区,且在突出结构上会产生一部分额外的冲击流动区域,有利于强化换热。

3.2 改进板片2的流动换热特性分析

3.1节中已经指出,在酒窝内添加突出结构,可以抑制上游区的回流,起到强化换热的作用,那么不妨将这种突出结构进行延长,使其横贯整个小型棒状酒窝,当流体沿垂直于小型棒状酒窝方向流动时,可以在每一个位置都起到强化换热的作用。因此设计了改进板片2的小型棒状酒窝,图9a、b分别为其轴测图与几何结构图,图9c为改进板片2局部俯视图。表8给出了该小型棒状酒窝尺寸参数。