基于场协同理论的板式换热器性能优化数值研究.pdf

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1、第40卷第4期化工机械487基于场协同理论的板式换热器性能优化数值研究+张毅”1董鹏飞1孙晓燕2张仲彬1(I．东北电力大学经济管理学院；2．吉林七星节能环保有限公司)摘要建立了与实物尺寸相同的人字形板式换热器冷热双流道模型，运用数值模拟方法和三场协同原理，对板式换热器单边流动和对角流动时的流动与换热特性进行了分析。结果表明：在相同的流速下，单边流动的速度场和温度场的协同性及速度场和压力场的协同性较好，改善了流道内各场的协同关系，因而单边流动换热效果要优于对角流动，且压降低于对角流动。关键词板式换热器单边流动对角流动数值模拟三场协同

2、中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2013)04-0487-05板式换热器由于其体积小、重量轻及优良的换热性能等优点，广泛应用于食品、石油、化工、造纸业、冶金、机械以及制冷等行业，尤其在低品位能量的回收与利用中，更显示了它的优越性。为了预测板式换热器内部流场和温度的分布，前人通过实验与数值模拟进行了大量的研究，但许多数值模拟都是在一定的假设条件下研究的。考虑到板式换热器波纹通道中流动与换热的周期性，MehrabianMA等¨’21分别研究了波纹通道中上、下板片4个接触点所组成的最小单元模型的传热与阻力

3、特性。BigoinG等p1研究了不同湍流模型在二维正弦通道中的内部流场。KanarisAG等H’建立了包含两个完整波纹通道的三维模型，分析其内部流场与换热，并通过实验验证了模型准确性。TsaiYC等"1建立了包含进出口、分配区和波纹换热区在内的完整的三维模型，研究了板片内部的水力特性和流动特性。波纹倾角是影响人字形板式换热器流动状态的重要几何参数，FockeWW等M1通过实验研究了不同波纹倾角板片的传热与阻力特性。为保证模拟结果的可信度与准确性，笔者建立了包含了进出口分配区和波纹换热区在内的完整的冷热双流道换热几何模型，并对比实验

4、测值与模拟结果。然后重点研究了单边流动和对角流动的流动与换热特性，对单边流动和对角流动进行三场协同原理分析，为板式换热器设计提供较为精确的理论依据。1换热器数值计算模型1．1物理模型笔者根据BRO．015F型板式换热器及波纹板片特征参数和板片图纸实际尺寸建立了冷热双流道物理模型(图1)。冷热流体通道均按照单边逆向流动布置。上侧流道为热流体，A端流人，B端流出；下侧流道为冷流体，C端流入，D端流出。BR0．015F型换热器的特征参数如下：外形尺寸LXB258mm×100mm单片有效面积0．015m2试件片数12试件流程(1×5)／(

5、1×6)试件传热面积0．15m2板片厚度0．6mm板间距2mm·国家自然科学基金项目(51076025)。··张毅，男，1970年1月生，副教授。吉林省吉林市，132012。488化工机械2013年当量直径4mm角孔直径20ram波纹角度1200波纹深度2ram波纹法向节距6mm波纹形状人字形板片材料不锈钢304单流道截面积166mm2图1冷热双流道流动与换热计算模型1．2数学模型根据板式换热器流动特性做如下假设：流动各物理量不随时间变化，设为定常流动；流体为不可压缩的牛顿流体；重力和浮升力的影响忽略不计；忽略流体流动时的黏性耗散

6、作用所产生的热效应。计算采用RNGk-6湍流模型，相关流动与传热方程中所有的因变量的控制方程都可以表示成以下通用形式¨1：旦i：}土+d面(pⅡ币)=div(F+grad．qb)+S+(1)o‘其中西为1、(“、t，、埘)、T时，分别代表连续方程、动量方程、能量方程；Fm为广义扩散系数，．s÷为广义源项，P为流体密度，kg／m3。表1为RNGk-e模型控制方程的表达式。表1RNGk-8模型控制方程注：i为方向，u；为i方向上的速度分量，m／s；Gk是由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；I为瞬时值，℃；Cl。+和C2。为经验常数；

7、dk、8。分别为湍动能k和耗散率8对应的Prandtl数。Cl。’=1．42，C2。=1．68；C“=0．0845；￡1k=口。=1．39；p。ff=p+¨"睥等。1．3边界条件入口边界采用速度入口条件，速度大小由实验测得流量算出，人口温度采用实验所测数据；出口边界采用压力出口条件，出口表压为实验测量值。冷热流道接触面设为换热面，其余各面设为绝热边界条件。1。4网格划分运用CFD前处理软件Gambit进行网格划分，由于流道内结构复杂，故采用非结构化四面体网格，且不同流动区域选择不同的网格步长。将模型分割为进出口、分流区和波纹换热区

8、，分别填充网格，进出口网格加密，波纹换热区域网格步长为0．5mm(网格数在140万)时，平均Nu数开始稳定，此时网格密度已经足够满足模拟精度的要求。2单边流动与对角流动传热及阻力特性分析2．1单边流动与对角流动传热及阻力特性测试流体在流道中存在两种