分配区影响板式换热器性能的模拟分析*

张仲彬 郑孔桥 孙彬彬 徐志明

(1. 东北电力大学能源与动力工程学院；2. 大连市锅炉压力容器检验研究院)

板式换热器作为一种通用的热能动力机械设备，已被广泛应用于医药、制冷与暖通、余热回收、动力、石油化工及航空航天等绝大部分工业领域，可被用作冷凝器、蒸发器、回热器及中间冷却器等，其应用范围不断扩大。目前研究的板式换热器的性能主要体现在传热特性和压降两个方面，目的是提高传热效果且降低压降。对其传热特性和流动特性的研究主要有实验和数值模拟两种方法。其中，数值模拟因具有高效、经济的优点，在板片的设计、选型及优化等过程得到了广泛应用[1～7]。

崔立祺等分别截取人字形波纹板式换热器50mm×100mm、50mm×110mm和128mm×128mm主流区域进行模拟计算分析，得到了波纹夹角β、高度h和间距l对换热器性能的影响，并利用计算结果拟合各几何参数与努塞尔数、压力降之间的关系曲线[8]。陈文超等通过对人字形板式换热器进行温度场的数值模拟，得到了冷、热流体各自通道的温度分布，发现温度场在平行于进口速度方向上变化明显，在垂直进口速度方向上温度梯度的变化比平行于进口速度方向上的低，层次不明显[9]。Galeazzo F C C等通过对板式换热器的数值模拟，发现在通道内存在流体流动不均和流量分布不均的现象[10]，Fernandes C S等对高粘度流体在板式换热器内的流动进行了模拟，发现在层流状态下，流体的扭曲系数和摩擦相关性系数随着波纹倾斜角的减少和通道宽高比的增加而增加[11]。Han X H等根据板片的完整结构建立了双流道的三维计算模型，发现在板片进、出口处都存在流动死区[12]。Merdian M A和Pouter R利用CFD软件研究板式换热器，通过截取最小的一个单元作为计算域，认为波纹形状对换热和压降有十分重要的影响[13]。

分配区的结构对流体在换热器板片间的流场分布、传热和阻力有着重要影响。笔者采用数值模拟的方法，根据BR0.015F型人字形板式换热器的实际结构建立了包含进出口分配区和波纹换热区在内的完整的冷热双流道几何模型，并在该模型的基础上，改变分配区的结构，建立了新的模型，通过对两种模型在不同工况条件下的数值模拟，比较努塞尔数Nu和摩擦因子f随雷诺数Re的变化，并引入强化比PEC来综合评价改进效果。

1 换热器的数值计算模型

1.1物理模型

研究对象为BR0.015F型人字形板式换热器，其基本参数为：换热面积0.015m2，波高2mm，波纹法向节距6mm，波纹角度120°，材料为304不锈钢[14]。笔者按照该板片图纸的实际尺寸建立三维计算模型A，计算区域如图1a所示；在模型A的基础上，修改分配区的结构，建立了模型B，计算域如图1b所示。

图1 几何模型

1.2相关假设

所研究的传热问题温差较小，故假设为：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；忽略流体流动时的粘性耗散作用所产生的热效应。

1.3数学模型

相关的控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中p——压力分量，Pa；

T——温度，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——流体热扩散率，m/s；

μ——动力粘度，Pa·s；

ρ——流体密度，kg/m3。

RNDk-ε模型：

(4)

(5)

1.4边界条件

1.4.1壁面条件

外部边界为无滑移速度边界条件，冷热流道的接触面设为传热面，其余各面设为绝热边界条件。

1.4.2网格划分

通过Pro/E软件建立模型，并采用Gambit软件进行网格划分。由于传热器内部结构复杂，先将模型按进出口、分流区和波纹传热区分割成10部分，并各自填充网格，然后按梯次加密网格。当平均努塞尔数开始稳定不再发生变化时，此时网格密度已经足够满足模拟精度的要求。

1.4.3数值计算

板间流动为单相流动，流动为湍流，采用RNGk-ε湍流模型，保持模型中的各参数值不变。计算采用分离变量隐式法求解，速度和压力耦合采用SIMPLE算法，二阶精度的迎风格式离散。

1.4.4进出口边界条件

进口采用速度入口条件，进口温度采用试验测得的数据，速度由流量计算得到；出口采用压力出口条件，其值由试验测量得到，具体参数和模拟准确性见文献[15]。

2 数值模拟结果与分析

笔者对人字形板式换热器模型A、B进行了数值模拟，流动形式为对角流，冷流体从左上角流入，从右下角流出。为了满足工业中的应用并为开发设计提供参考依据，对进口流速u在0.2～0.6m/s间的5种工况进行了模拟计算，并以进口流速0.5m/s为例，分析两模型的速度场、温度场和压力场的差异。

2.1板式换热器流道内的速度场

图2为进口流速u=0.5m/s时模型A和模型B在y=0.2mm截面上的速度分布。从图中可以看出，模型A在进口分配区的上部存在流动“死区”，导致波纹区在入口段沿z方向存在明显的流体流动不均现象，这是由于分配区结构不合理造成的；模型B在波纹区进口部分分流均匀，流体沿波纹区分布均匀。

图2 y=0.2mm截面的速度分布

2.2板式换热器流道内的温度场

图3为进口流速u=0.5m/s时模型A和模型B在传热面冷侧上的温度分布。从图中可以看出，随着流体的流动，板片的温度逐渐升高，模型A在波纹区的进口段沿z方向存在换热不均的现象，且在波纹区的右上角明显换热较差，模型B在整个板片上换热较为均匀，有利于增强换热。

图3 传热面冷侧的温度分布

2.3板式换热器流道内的压力场

图4为进口流速u=0.5m/s时模型A和模型B在传热面冷侧的压力分布，从图中可以看出，沿流动方向，流道内的压降逐渐变小，模型A在波纹区的进口段存在压降不均的现象，这是由于流体流动不均引起的，模型B在进口段压降则较为均匀，这与速度场的分布相吻合。

图4 传热面冷侧的压力分布

2.4模拟数据的处理

为比较两模型传热特性和流动特性的变化，图5、6分别给出了模型A与模型B的努塞尔数和摩擦因子随进口雷诺数的变化关系，可以看出，两模型的努塞尔数均随雷诺数的增大而增大，在相同雷诺数下，模型B的努塞尔数与模型A相差很小，换热性能基本相同，而摩擦因子则明显小于模型A，即相同雷诺数下，模型B的内部流动阻力更小，压降更低。

图5 努塞尔数随雷诺数的变化

图6 摩擦因子随雷诺数的变化

为准确评估改造对模型A的影响，引入文献[14]的强化比(PEC)评价准则，当PEC大于1时不仅能够强化换热而且能够节约能源。该评价准则定义式为[16]：

(6)

以模型A的努塞尔数和摩擦因子为基准得出PEC与Re之间的变化规律。从图7可以看出，模型B的强化比是模型A的1.1倍左右，且不随雷诺数的增加而变化。

图7 模型A、B的强化比随雷诺数的变化

3 结束语

笔者根据BR0.015F型人字形板式换热器的实际结构建立了包含进出口分配区和波纹换热区在内的完整的冷热双流道几何模型A，并在该模型的基础上，改变分配区的结构，建立了新的模型B，经过改进后得到的模型B与原模型A相比，流道内流体分布更加均匀，改善了流动特性，整体换热效果更加均匀，同时减小了流体流动阻力，摩擦因子较之前减少了30%，降低了压降，整体性能较原来提高了10%左右。

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