不同波紋夾角的人字形板式熱交換器數(shù)值模擬

吳 私 李春蘭 王 森 李占英 朱海舟

(1. 蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司；2. 蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司)

不同波紋夾角的人字形板式熱交換器數(shù)值模擬

吳 私*1李春蘭1王 森1李占英1朱海舟2

(1. 蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司；2. 蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司)

建立了由波紋夾角60、120°人字形板片組成的3種換熱流道的主換熱區(qū)模型，利用計算流體力學(xué)軟件對3種流道內(nèi)流體的流動和傳熱進行了數(shù)值模擬，分析了流道內(nèi)的速度場、溫度場和壓力場。結(jié)果表明：人字形波紋的夾角是影響板片間流體流動形態(tài)的因素之一，流道的換熱性能和壓力損失均隨人字形波紋夾角的增大而增大，并且波紋夾角的改變對流道壓力損失的影響比換熱性能更明顯。

板式熱交換器 人字形板片 數(shù)值模擬 傳熱系數(shù) 壓力降

由于板式熱交換器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱性能好等優(yōu)點，已成為食品、化工、石油、冶金及電力等眾多領(lǐng)域不可或缺的重要設(shè)備[1,2]。隨著近年來數(shù)值模擬計算軟件的應(yīng)用，出現(xiàn)了許多圍繞換熱器流體流動和傳熱的數(shù)值模擬研究。徐志明等對不同速度工況下熱交換器內(nèi)流體的流動和傳熱進行了數(shù)值模擬[3]；蔡毅等運用數(shù)值模擬軟件模擬了人字形波紋區(qū)域流道內(nèi)流體的流動與傳熱特性[4]；崔立祺等利用數(shù)值模擬計算結(jié)果擬合了人字形波紋板各幾何參數(shù)與努塞爾數(shù)、壓力降之間的關(guān)系曲線[5，6]；李彥洲通過研究板式熱交換器的內(nèi)部流道特征，采用均勻試驗優(yōu)化方法，得到最優(yōu)波紋傾角、法相節(jié)距和波紋高度數(shù)值[7]；趙元東等通過數(shù)值模擬，分析了熱混合板式熱交換器的流道模型換熱和阻力的情況，并結(jié)合場協(xié)同理論分析熱混合板式換熱器的綜合性能[8]；陳文超等采用雙流道形式對人字形板式熱交換器進行了溫度場的數(shù)值模擬[9]。

在人字形板式熱交換器的設(shè)計中，不能只追求較高的傳熱系數(shù)，同時還要考慮壓力降，尋找傳熱與阻力的合理匹配才是工作的重點。通過波紋夾角60°人字形波紋板(W)與夾角120°人字形波紋板(H)的不同的組合，可以形成3種不同性能的流道，即H-H流道、W-W流道、H-W流道。筆者借助Fluent軟件對這3種流道模型的主換熱區(qū)進行流場模擬，分析了速度場、溫度場和壓力場，探索傳熱、壓降合理的最佳組合。

1 數(shù)值計算模型

1.1物理模型

流道由兩種板片構(gòu)成，具體數(shù)值見表1。

表1 板片的特征參數(shù)

采用SolidWorks軟件對3種組合流道進行了三維幾何建模，波紋沿流動方向是周期性的，所以模型沿流動方向截取長100mm、寬50mm的區(qū)塊，幾何模型如圖1～3所示，圖1為由兩張H板調(diào)轉(zhuǎn)180°組成的換熱流道，圖2為由兩張W板調(diào)轉(zhuǎn)180°組成的換熱流道，圖3為由一張H板與另外一張W板調(diào)轉(zhuǎn)180°組成的換熱流道，圖3中上、下兩個換熱面分別和W板、H板相同。

圖1 H-H流道主換熱區(qū)周期性幾何模型

圖2 W-W流道主換熱區(qū)周期性幾何模型

圖3 H-W流道主換熱區(qū)周期性幾何模型

1.2相關(guān)假設(shè)

由于研究的傳熱過程沒有相變，流道內(nèi)的溫差較小，故進行如下假設(shè)：流動各物理量不隨時間變化，設(shè)為定常流動；流體為不可壓縮的牛頓流體；重力和浮升力的影響忽略不計；忽略流體流動時的粘性耗散作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

1.3數(shù)學(xué)模型

相關(guān)的控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

湍流模型采用RNGk-ε模型

(4)

(5)

Gk——由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；

p——壓力分量，Pa；

T——溫度，K；

Ui——i方向上的速度分量，m/s；

u、v、w——x、y、z方向上的速度分量，m/s；

α——流體熱擴散率，m2/s；

αk、αε——湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl，αk=αε=1.39；

μ——動力粘度，Pa·s；

ρ——流體密度，kg/m3。

1.4網(wǎng)格劃分

筆者通過SolidWorks軟件構(gòu)建體模型，并通過ANSYS-Workbench軟件中的mesh工具進行網(wǎng)格劃分。為提高計算精度、減少計算網(wǎng)格數(shù)，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.4mm，垂直板片方向設(shè)置20層網(wǎng)格，網(wǎng)格示意圖如圖4所示。

1.5邊界條件

進出口采用周期性邊界條件，流道下側(cè)為入口，入口設(shè)置為速度入口，入口流速0.5m/s，溫度80℃；流道上側(cè)為出口，出口邊界采用壓力出口邊界，設(shè)定為0.1MPa。流道前后換熱面設(shè)置為恒熱流邊界條件，熱流密度為50kW/m2。兩側(cè)邊界設(shè)置為絕熱的對稱邊界條件。計算采用二階迎風(fēng)格式。因介質(zhì)流態(tài)為充分湍流，且存在周期性波動，故為非穩(wěn)態(tài)計算。介質(zhì)為水，介質(zhì)物性如下：

密度ρ1 000kg/m3

比熱Cp4 182J/(kg·K)

導(dǎo)熱系數(shù)K0.6W/(m·K)

粘度μ1mPa·s

圖4 換熱板片主換熱區(qū)流道模型網(wǎng)格示意圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1板式熱交換器流道內(nèi)的速度場

人字形板式熱交換器的主要流動形態(tài)有兩種[10]：十字交叉流和曲折流。流體先在一個板片上沿溝槽流動，當(dāng)?shù)竭_板片的邊緣時，被反射折轉(zhuǎn)到通道另一個板片的溝槽中流向另一邊緣，這種形態(tài)稱為十字交叉流；流體仍沿溝槽流動，但折返點不再出現(xiàn)在板片的左、右兩側(cè)，而是發(fā)生在波紋的觸點，流動呈連續(xù)、并行的小波紋狀，這種形態(tài)稱為曲折流。

從圖5可以看出，流體在H-H流道內(nèi)流動，當(dāng)遇到波紋觸點時，一部分流體改變原來的流動方向而流入另一側(cè)流道，然后螺旋向前流動，形成所謂曲折流。此流道特點是湍流程度大，換熱效果強，但壓力損失也大。

圖5 H-H流道主換熱區(qū)換熱面流體流線圖

從圖6可以看出，W-W流道波紋夾角明顯小于H-H流道，流體在W-W流道內(nèi)流動時，受波紋觸點的影響很小，流體始終沿自身流道流動，形式主要是十字交叉流。此流道特點是流體動量損失和壓力損失小，同時湍流程度較小，換熱效果差。

圖6 W-W流道主換熱區(qū)換熱面流體流線圖

從圖7可以看出，H-W流道的波紋夾角介于H-H流道、W-W流道之間，觸點附近流體的曲折流特征相對明顯，相比H-H流道，該流道內(nèi)壓力損失變小，傳熱效果有所減弱；而相比W-W流道，壓力損失變大，傳熱效果有所增強。

a. H換熱面

b. W換熱面

相互交叉的人字形波紋通道內(nèi)流體的流動形態(tài)變化是由流體沿波紋方向的動量分量和垂直波紋溝槽的流動阻力兩方面的共同作用決定的。由于波紋夾角改變了流體的動力分量方向，也會對垂直波紋溝槽的流動阻力有影響，因此除了波紋傾角、波間距和波高，人字形波紋的夾角也會影響到板片間流體的流動形態(tài)。

2.2板式熱交換器流道內(nèi)的溫度場和壓力場

流體在溝槽中流動時在波紋的交匯點上會受到相對板片溝槽中流體流動的影響，兩股流體交匯時的這種切向力會使流體產(chǎn)生漩渦并增大湍流程度，漩渦可以使流體對壁面換熱的參與度大幅增加從而能強化熱傳遞，同時觸點對周圍流體產(chǎn)生擾動，形成湍流，這都是人字形板式熱交換器在低雷諾數(shù)時就能使傳熱得到有效強化的主要原因；產(chǎn)生的漩渦會提高流體的阻力，同時觸點周圍流體的相互拖曳作用也是波紋通道中流體流動阻力較大的主要原因。

由于H-H流道波紋夾角大，兩股流體在溝槽中流動交匯時的切向力大，同時該流道單位面積內(nèi)觸點更多，所以湍流程度更強，強化傳熱更充分，從圖8可以看出，H-H流道換熱面溫度均勻分布，傳熱效果好，同時流體的動量損耗大；從圖9可以看出，H-H流道進出口壓力損失明顯，呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢，壓力降增大。

圖8 H-H流道主換熱區(qū)換熱面溫度云圖

圖9 H-H流道主換熱區(qū)換熱面壓力云圖

由于W-W流道波紋夾角小，兩股流體在溝槽中流動交匯時的切向力小，同時該流道單位面積內(nèi)觸點少，所以湍流程度較弱，強化傳熱不充分，從圖10可以看出，W-W流道換熱面溫度分布不均勻，觸點處與周圍流道溫差明顯，傳熱效果差，但該流道流體動量損耗?。粡膱D11可以看出，W-W流道進出口壓力比較接近，損失不明顯，遞減趨勢很弱，壓力分布均勻，壓降小。

圖10 W-W流道主換熱區(qū)換熱面溫度云圖

圖11 W-W流道主換熱區(qū)換熱面壓力云圖

由于H-W流道波紋夾角介于H-H流道、W-W流道之間，所以兩股流體在溝槽中流動交匯時的切向力和流道單位面積內(nèi)觸點數(shù)都介于H-H流道、W-W流道之間，湍流程度、流體動量損耗也處于中間階段，從圖12可以看出，H-W流道換熱面的溫度均勻分布程度介于H-H流道、W-W流道之間，相比W-W流道傳熱效果較好，相比H-H流道傳熱效果較差；從圖13可以看出，H-W流道進出口壓降的遞減趨勢介于H-H流道、W-W流道之間，與之前的速度場分析相吻合。

3 模擬數(shù)據(jù)對比

為了更具體地研究3種流道模型的傳熱和流動阻力差異，為開發(fā)設(shè)計提供更多參考依據(jù)，選取熱交換器的板間流速在0.3～1.1m/s的工況進行研究。

圖14、15為3種流道換熱面的傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)對比，從圖中可以看出，隨著流體雷諾數(shù)的增大，傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)也隨之增大，但趨勢逐漸趨于平緩，相比于H-W流道和H-H流道的傳熱系數(shù)提高了近10%，W-W流道的傳熱系數(shù)降低了11%左右，各流道的努塞爾數(shù)變化與傳熱系數(shù)相當(dāng)；圖16為3種流道換熱面的壓力梯度對比，從圖中可以看出，隨著流體雷諾數(shù)的增大，壓力梯度也隨之增加，且增加的趨勢越來越明顯，相比于H-W流道，H-H流道的壓力梯度提高了一倍之多，W-W流道的壓力梯度降低了80%左右；圖17為3種流道換熱面的歐拉數(shù)對比，歐拉數(shù)代表流體的動量損失率，從圖中可以看出，H-H流道的動量損失率最大，W-W流道的動量損失率最小，并且隨著流體雷諾數(shù)的增大，3種流道換熱面的歐拉數(shù)均呈遞減趨勢。綜上所述，H-H流道特點是高傳熱系數(shù)、高阻力降，H-W流道特點是中等傳熱系數(shù)、中等阻力降，W-W流道特點是低傳熱系數(shù)、低阻力降，H-W流道換熱面的傳熱系數(shù)與壓力降均介于H-H流道、W-W流道之間，與之前的數(shù)值模擬分析相吻合。

a. H換熱面 b. W換熱面

a. H換熱面 b. W換熱面

圖14 3種流道換熱面的傳熱系數(shù)對比

圖15 3種流道換熱面的努塞爾數(shù)對比

圖16 3種流道換熱面的壓力梯度對比

圖17 3種流道換熱面的歐拉數(shù)對比

4 結(jié)論

4.1隨著人字形板片波紋夾角的增大，板間流體的流動形式出現(xiàn)從“十字交叉流”向“曲折流”形式轉(zhuǎn)變的趨勢，所以除了波紋的深度、傾角、節(jié)距3項基本參數(shù)外，人字形波紋的夾角也是影響板片間流體流動形態(tài)的因素之一。

4.2相比于H-W流道，H-H流道的膜傳熱系數(shù)提高了近10%，W-W流道的膜傳熱系數(shù)降低了11%左右，各流道的努塞爾數(shù)變化與傳熱系數(shù)相當(dāng)。

4.3相比于H-W流道，H-H流道的壓力損失提高了一倍之多，W-W流道的壓力損失降低了80%左右，相對于傳熱系數(shù)，人字形波紋夾角的改變對流道壓力損失的影響更明顯。

4.4隨著流體雷諾數(shù)的增大，各流道換熱面的傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)也隨之增大，但趨勢逐漸趨于平緩，增長率不斷減小；各流道的壓力梯度隨之增加，且增加的趨勢越來越明顯，增長率不斷加大；3種流道的流體動量損失均隨雷諾數(shù)的增大而呈遞減趨勢。

[1] 秦叔經(jīng)，葉文邦.換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 余建祖.換熱器原理與設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

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[5] 崔立祺.基于FLUENT的板式換熱器三維數(shù)值模擬[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[6] 張仲彬，董鵬飛，王月明，等.板式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化三維數(shù)值分析[J].化工機械，2013，40(2)：206～210.

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[8] 趙元東，張井志，張冠敏，等.熱混合板式換熱器換熱阻力性能[J].壓力容器，2013，30(8)：46～53.

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NumericalSimulationofChevron-typePlateHeatExchangerwithDifferentWaveAngles

WU Si1, LI Chun-lan1, WANG Sen1, LI Zhan-ying1, ZHU Hai-zhou2

(1.LanzhouLSEnergyEquipmentEngineeringInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730314,China; 2.LanzhouLSHeatExchangerEquipmentCo.,Ltd.,Lanzhou730314,China)

The main heat-exchanging zone’s model of three heat flow channels which constituted by chevron-type plates which boasting of 60°and 120° wave angles was built; and making use of CFD software to simulate both flow and heat transfer of the fluid within these three channels and to analyze the velocity field, temperature field and the pressure field there was implemented to show that, the inclined angle of chevron-type plate is one of factors which influencing the fluid’s flow pattern; and both heat transfer performance and pressure loss within channels become increased with the increase of chevron-type wave angles; and compared to the heat transfer performance, the influence of the change of wave angles on the flow channel’s pressure loss is more obvious.

plate heat exchanger, chevron-type plate, numerical simulation, heat transfer coefficient, pressure drop

*吳 私，男，1988年11月生，助理工程師。甘肅省蘭州市，730314。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)06-0770-06

2015-11-24)