船用板式換熱器混合板片數值分析研究

范菊蘭， 顧楊怡， 葉 莉， 岳 晨， 羅朝嘉， 韓 東

(1.南通中船機械制造有限公司， 江蘇 南通 226000；2.南京航空航天大學 能源與動力學院江蘇省航空動力系統實驗室， 江蘇 南京 210016)

船用板式換熱器混合板片數值分析研究

范菊蘭1， 顧楊怡1， 葉 莉2， 岳 晨2， 羅朝嘉2， 韓 東2

(1.南通中船機械制造有限公司， 江蘇 南通 226000；2.南京航空航天大學 能源與動力學院江蘇省航空動力系統實驗室， 江蘇 南京 210016)

通過Fluent數值模擬研究了由船用板式換熱器不同人字形波紋板片組成的三種模型內部流場及換熱過程，得到了壓力損失ΔP、平均Nu數隨流速的變化情況。分析了不同流速下，三種模型的人字形波紋板式換熱器板片的流動和換熱特性，并用相關實驗數據對數值模擬結果進行了驗證。研究結果表明：流速相同時，H-H模型Nu和ΔP值最大，V-V模型Nu和ΔP值最小,V-H模型Nu和ΔP值大小均介于兩者之間。Nu和ΔP的數值分別是換熱性能及阻力特性的度量。V-H模型以部分換熱性能的損失獲得了阻力特性的改善。Fluent模擬結果與實驗結果一致。

板式換熱器 混合板片 數值模擬 實驗驗證

1 引言

板式換熱器作為船舶上的主要換熱設備對全船的安全運行起到了關鍵作用。它的結構相對其他換熱器較為簡單，主要由螺桿、壓板、底座、板片等組成。它廣泛地作為大型艦船主機缸套水、滑油冷卻器以及中央冷卻器使用，近幾十年來得到了很大發展。但是與其他類型的換熱器相比,板式換熱器在運行過程中的耗能以及所需運行費用相對較高。因此,有必要針對板式換熱器進行優化研究,以期提高換熱性能、降低流動阻力以及節能降耗。作為板式換熱器核心組件,板片的設計決定了換熱器的綜合性能。人字形波紋板式換熱器換熱性能好，關于人字形波紋傾角對換熱器換熱和阻力特性影響的研究一直沒有間斷[1,2]。

實驗和數值模擬是研究換熱器的主要方法，其中數值模擬由于經濟和高效,在板片先期設計以及最終優化定型的過程中可以起到重要作用[3,4]。板式換熱器的綜合性能可由努塞爾數Nu和阻力系數f隨雷諾數Re的變化來評判。

趙鎮南[5]通過實驗研究了人字波紋通道中的基本流動模式以及波紋傾斜角對板式換熱器性能的影響，發現相同工況下大角度板片的換熱性能和壓力損失都高于小角度板片。要實現換熱、流量和壓力降三者之間的良好匹配[6]不能僅靠單一傾角的板片，可行的方法是用兩種不同波紋角度的板片混合組裝成一臺換熱器，稱為熱混合式設計[7]。

本文通過Fluent模擬計算，分析比較了三種不同人字形波紋板片模型的流動和換熱特性，并用相關實驗數據對數值模擬結果進行了驗證，為船用板式換熱器的優化設計提供了理論指導。

2 數值計算模型

2.1 物理模型

在Gambit中建立人字形波紋板片模型。圖1和圖2分別是波紋傾角β=13.3°的V型板片原圖和波紋傾角β=74.5°的H型板片原圖。

圖1 V型板片

圖2 H型板片

分別對兩種不同波紋傾角的板片進行組合，組成三種不同的通道模型。模型一和模型二為同角度板片之間的組合，分別為V-V型組合和H-H型組合，模型三是由H型和V型板片組合成的V-H模型。為節約計算資源以及提高計算效率，忽略板片其他部分，截取板片主流區域作為模擬研究對象。模型尺寸為60mm×180mm。具體模型及流體流動方向如圖3～圖6所示，邊界條件設置如圖7所示。

圖3 V-V型板片

圖4 H-H型板片

圖5 V-H型板片上壁面

圖6 V-H型板片下壁面

圖7 模型邊界條件

模型結構分為固體域和流體域，流體為水，其物性參數如表1所示。其中，μ為流體粘性系數；ρ為流體密度；λ為流體導熱系數；Cp為流體比熱容。

表1 水的熱物性參數

在固體域：板片材料為不銹鋼，其物性參數如表2所示。

表2 不銹鋼的熱物性參數

2.2 邊界條件

入口采用速度入口邊界條件，進口流體溫度設定為307 K。模型出口邊界條件類型均為pressure-outlet，其他參數保持設定值。上下壁面都采用恒定壁溫邊界條件，無滑移邊界條件，上壁面：Tw=300K；下壁面：Tw=300K；壁面厚度為0.5mm。固體壁面選用模型的默認值。

2.3 數值計算方法

采用Fluent進行求解計算,壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法,控制方程中的對流項和擴散項的離散均采用二階迎風格式, 湍流模型為RNGk-e模型。通過Gambit對模型進行網格劃分,網格類型為非結構化四面體網格。

2.4Re、Nu和Pr的定義

本文中Re、Nu和Pr的定義如下:

3 數值計算結果及分析

3.1Fluent模擬結果分析

對三種不同的模型進行數值計算，計算結果如圖8和圖9所示。圖8為三個模型的平均努賽爾數Nu隨流速的變化曲線。從圖中可以看出，三個模型的Nu都隨著流體流速的增大而類線性增大。流速為0.1m/s時模型二(H-H)的Nu值為54.2，分別為模型一(V-V)和模型三(V-H)的1.8倍和1.3倍；流速達到0.6m/s時，模型二的Nu值增大到了322.6，分別為模型一的1.9倍和模型三的1.4倍。圖9為三個模型的壓力損失ΔP隨流速的變化曲線。三個模型的ΔP值都隨流速地增大而增大，在整個數值計算的流速范圍內都有：ΔPH-H>ΔPV-H>ΔPV-V,流速越大三者之間差值越大。相同流速下，板片波紋傾角越大，流體在流道內的擾動越強，冷熱流體的換熱效果就越好，數值上表現為衡量換熱性能的參數Nu值較大。同時由于擾動強度大，壓力損失ΔP也更大。相反，波紋傾角較小的板片，由于流道內擾動相對較弱，換熱效果較差但同時壓力損失也較小。流速越大，流體擾動越強，這種反差就越明顯。V-H混合模型的Nu值與壓力損失大小均介于模型V-V與模型H-H之間。它以部分換熱性能的損失獲得了阻力特性的改善，平衡了換熱性能和壓力損失。

圖8 三個模型的平均努賽爾數Nu隨流速的變化曲線

3.2 實驗驗證

為測試單向流體在三種不同組合方式的板片通道中的流動和換熱特性，建立以海水和淡水作為介質的實驗系統。海水作為冷介質，淡水為熱介質。實驗測試對象：由14塊H型板片組成的H型換熱器；由14片V型板片組成的V型換熱器；H型板片和V型板片各7片組合而成的混合型板式換熱器。實驗系統包含冷水系統、熱水系統以及測量系統，系統流程圖如圖10所示。

圖10 實驗系統圖

分別對三種模型實驗數據進行分析處理，并與計算結果比較，得到圖11和圖12，分析如下。

圖11是三種模型的傳熱系數隨流速的變化曲線。圖中實線為數值計算結果，虛線表示實驗數據。由圖11可以看出，實驗測出的傳熱系數K比數值計算結果略低一些，誤差值低于15%。兩者變化趨勢一致：隨流速的增大，三種模型的傳熱系數K都增大；在同一流速下，H-H模型K最大，V-V模型K最小，V-H混合模型的K大小介于兩者之間。圖12為模型壓力損失ΔP隨流速變化曲線。隨著流速增大，板式換熱器的壓力損失增大；在同一流速下，H-H模型的壓力損失最大，V-V模型的壓力損失最小，V-H混合模型的壓力損失在兩者之間。這一趨勢與Fluent數值計算結果一致。實驗結果與數值計算結果都表明混合模型可以平衡換熱器的換熱性能與壓力損失，驗證了用Fluent數值計算來引導換熱器的優化設計是可行的。

圖11 三個模型的總傳熱系數隨流速的變化曲線

圖12 三個模型的壓力損失ΔP隨流速的變化曲線

4 結論

本文通過對三種不同板片組合模型進行數值模擬，主要得到如下結論。

(1) 三個模型的換熱性能參數Nu和壓力損失ΔP都隨著流體流速的增大而增大。相同流速下總有：NuH-H>NuV-H>NuV-V，ΔPH-H>ΔPV-H>ΔPV-V。Nu和ΔP值的大小分別是換熱性能和阻力特性的度量。用實驗驗證了Fluent模擬結果，得到一致的結論。

(2) 在本文數值模擬的流體流速范圍內，混合模型V-H的Nu值和壓力損失ΔP分別比模型二H-H(大傾角板片組合)平均低24.3%和46.0%，比模型一V-V(小傾角板片組合)平均高出40.5%和71.7%。可見混合模型可以平衡換熱性能和壓力損失，綜合性能介于模型H-H和模型V-V之間。

(3) 本文僅通過研究波紋傾角為13.3°和74.5°的兩種板片之間的組合得到了相關結論。因此，對于是否存在其他波紋傾角板片之間的組合使得混合模型的綜合性能同時優于兩個同種板片組合的綜合性能值得作進一步研究。

[1] 李曉亮.人字形板式換熱器強化傳熱研究及場協同分析[D].濟南:山東大學,2009.

[2] 蔡毅,賈志剛,周文學等.人字形波紋板式換熱器性能數值模擬的研究[J].計算機與應用化學,2009,26(1):105-108.

[3] Kanaris A G, Mouza A A, Paras S V. Optimal Design of a Plate Heat Exchanger With Undulated Surfaces[J]. Int J Therm Sci, 2009,48(6):1184-1195.

[4] Doo J H, Yoon H S, Ha M Y. Study on Improvement of Compactness of a Plate Heat Exchanger Using a Newly Designed Primary Surface[J]. Int J Heat Mass Transfer，2010, 53(25/26): 5733-5746.

[5] 趙鎮南.板式換熱器人字波紋傾角對阻力及傳熱性能的影響[J].石油化工設備,2001,30(5):1-3.

[6] Bond M P. Plate heat exchangers for effective heat transfer [J].The Chemical Engineer, 1981, 88: 1621.

[7] 楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1994.

NumericalAnalysisResearchonHybridPlateofMarinePlateHeatExchanger

FANJu-lan1,GUYang-yi1,YELi2,YUEChen2,LUOChao-jia2,HANDong2

(1.NantongCSEMCMachineryManufacturingCo.,Ltd.,NantongJiangsu226000,China;2.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAerospacePowerSystem,NanjingJiangsu210016,China)

In this paper, we put the plate which is widely used in ship heat exchanger as the research object. This paper performs numerical simulations of the fluid flow and heat transfer characteristic in three different corrugated plates, and obtains the varying pattern of the average number of Nu, pressure loss ΔPwhentheflowvelocitychanges.Thepaperanalysistheheattransferandpressuredropcharacteristicsinthreedifferentcompositecorrugatedplatepatterns,andverifiesthesimulatedresultsunderdifferentvelocity.TheresultsshowthatthevalueofNuandΔPofH-Hmodelisthelargestinthreekindsofmodelunderthesamevelocity,onthecontrary,V-Vmodel’sNuandΔPvalueareminimum,theNuandΔPvalueofV-HmodelarebetweenV-VmodelandH-Hmodel.NuandΔPvaluerespectivelyshowstheheattransferperformanceandthesizeofpressureloss.V-Hmodelreducepressurelossthroughasmallpartdecreasingofheattransferperformance.ExperimentresultsareconsistentwithFluentsoftwaresimulationresults.

Plate heat exchanger Hybrid plate Numerical simulation Experimental verification

江蘇省產學研聯合創新資金(BY2013003-07)；南通市重大科技創新專項(XA2012003)。

范菊蘭(1971-)，女，工程師。

TK

A