板翅式換熱器數(shù)值模擬研究

板翅式換熱器數(shù)值模擬研究
                          董其伍　王　丹　劉敏珊　宮本希
                       (鄭州大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,鄭州　450002)
    摘　要:采用數(shù)值模擬的方法研究了板翅式換熱器的流體流動(dòng)與傳熱性能,得出了七種不同高度、厚度和翅片間距大小的翅片流道中流體平均Nu數(shù)和壓力降隨Re數(shù)變化的曲線。
    關(guān)鍵詞:板翅式換熱器;　平直翅片;　數(shù)值模擬
    中圖分類號(hào):TQ051. 5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3281(2008)02-0025-04
    板翅式換熱器結(jié)構(gòu)形式雖然很多,但其結(jié)構(gòu)單元體基本相同,都是由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片組成的。翅片是板翅式換熱器最基本的元件,翅片與隔板的連接均為完善的釬焊,傳熱過(guò)程一部分直接由隔板來(lái)完成,另一部分通過(guò)翅片來(lái)完成,由于翅片不像隔板是直接把熱量傳給冷流體,故翅片有"二次表面"之稱。板翅式換熱器的翅片形式主要有:平直翅片、鋸齒翅片、波紋翅片、百葉窗翅片、多孔翅片和釘狀翅片等[1]。斯坦福大學(xué)的Kays和Lon-don[2]等人對(duì)56種不同的翅片形狀進(jìn)行實(shí)驗(yàn),繪制了翅片的傳熱和阻力曲線圖。板翅式換熱器由于其具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn),在石油、化工、空氣分離、制冷空調(diào)以及航天航空、電子等諸多工業(yè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
    由于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究具有周期長(zhǎng),耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn),而數(shù)值模擬方法具有使用方便、靈活,研究和開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較短,費(fèi)用較低、限制較少等優(yōu)點(diǎn)。因此本文利用數(shù)值模擬方法,采用耦合傳熱模型,考察單個(gè)平直翅片中不同結(jié)構(gòu)形式的翅片導(dǎo)熱對(duì)流道中流體流動(dòng)換熱的影響。平直翅片結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,圖中虛線部分為本文模型的截面部分。
             
    1　理論基礎(chǔ)[3, 4]
    數(shù)值模擬方法遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒這三個(gè)最基本的物理規(guī)律,其理論基礎(chǔ)可以用以下方程式表示。
           
           
    2·物理模型和數(shù)學(xué)描寫[5]
    本文采用有限元分析軟件FLUENT軟件,以國(guó)產(chǎn)的七種不同翅片高度、厚度和翅距的平直翅片為模型進(jìn)行模擬,考察翅片流道中的流體流動(dòng)和傳熱特性,模型長(zhǎng)度取150mm。本文的模型尺寸分別采用6. 5-0. 2-1. 4-150, 6. 5-0. 3-1. 4-150, 6. 5-0. 5-1. 4150, 6. 5-0. 2-1. 7-150, 6. 5-0. 2-2. 0-150, 4. 7-0. 21. 4-150, 9. 5-0. 2-1. 4-150表示,以模型6. 5-0. 21. 4-150為例, 6. 5代表平直翅片高度為6. 5 mm, 0.代表翅片厚度為0. 2 mm, 1. 4代表翅片間距為1.mm, 150代表流道長(zhǎng)度為150 mm。
    翅片材料選用金屬鋁,流體介質(zhì)采用穩(wěn)態(tài)不可壓縮的水,假設(shè)流體進(jìn)口溫度為300 K,計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)層流模型,壓力和速度耦合采用SIMPLE算法進(jìn)行,邊界條件采用速度進(jìn)口和壓力出口。由于翅片底部和隔板是完善的釬焊,通過(guò)導(dǎo)熱方式傳熱,在建模型的過(guò)程中將該面畫成一個(gè)面, fluent就自認(rèn)為是一個(gè)導(dǎo)熱面,假設(shè)該面為恒定壁溫325 K;翅片與介質(zhì)水對(duì)流換熱的面設(shè)置為壁面條件wall中的耦合換熱,即couple;模型兩側(cè)邊設(shè)置為對(duì)稱邊界即symmetry。在求解過(guò)程中,當(dāng)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程中的變量殘差分別達(dá)到10-3、10-3和10-6時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。
    3　網(wǎng)格劃分[6]
    在進(jìn)行數(shù)值模擬的過(guò)程中,網(wǎng)格劃分部分是最關(guān)鍵的工作之一,網(wǎng)格的好壞直接影響著計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果的收斂性。本文的模型結(jié)構(gòu)比較規(guī)則所以采用網(wǎng)格質(zhì)量好、計(jì)算速度快、內(nèi)存占用量少的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分別對(duì)流體和固體部分進(jìn)行劃分。網(wǎng)格的疏密程度對(duì)模型計(jì)算結(jié)果也有很大的影響。計(jì)算之前首先對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性測(cè)算,采用不同的網(wǎng)格密度重復(fù)同樣的計(jì)算,比較所得的結(jié)果,當(dāng)模型進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格,在工程允許的偏差范圍內(nèi)數(shù)值解已幾乎不再發(fā)生變化,即認(rèn)為此解為網(wǎng)格獨(dú)立的解。以模型6. 5-0. 2-1. 4-150為例,在對(duì)計(jì)算網(wǎng)格加密以后,重新分析計(jì)算結(jié)果,通過(guò)比較結(jié)果發(fā)現(xiàn),網(wǎng)格數(shù)量為36萬(wàn)左右時(shí)能夠滿足計(jì)算的精度要求。
    4　邊界條件設(shè)置[7]
    本文模擬的固體部分翅片材料選用金屬鋁,流體介質(zhì)采用穩(wěn)態(tài)不可壓縮的水,計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)層流模型,壓力和速度耦合采用SIMPLE算法,邊界條件采用速度進(jìn)口和壓力出口,假設(shè)流體進(jìn)口溫度為300 K。由于翅片底部和隔板是完善的釬焊,通過(guò)導(dǎo)熱方式傳熱,在建模型的過(guò)程中將該面畫成一個(gè)面,fluent就自認(rèn)為是一個(gè)導(dǎo)熱面,假設(shè)該面為恒定壁溫325 K;翅片與介質(zhì)水對(duì)流換熱的面設(shè)置為壁面條件wall中的耦合換熱,即couple;模型兩側(cè)邊設(shè)置為對(duì)稱邊界即symmetry。在求解過(guò)程中,當(dāng)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程中的變量殘差分別達(dá)到10-3、10-3和10-6時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。
    5　分析與討論
    以6. 5-0. 2-1. 4-150的模型為例,在流體Re數(shù)為500時(shí),流道進(jìn)口截面、1/3處截面、2/3處截面、出口截面的溫度分布如圖2a~d所示。
                
    以加熱流體為例理論分析如下,假設(shè)通過(guò)隔板直接傳給流體的熱量為Q1,通過(guò)翅片導(dǎo)熱傳給流體的熱量為Q2,則二次傳熱面的傳熱過(guò)程是沿著翅片的高度方向進(jìn)行的,這時(shí)一方面通過(guò)熱傳導(dǎo)不斷導(dǎo)入熱量,另一方面通過(guò)翅片表面和流體的對(duì)流換熱把熱量傳給冷流體。熱量傳遞過(guò)程如圖3所示。
                
    由于沿流體方向的翅片長(zhǎng)度大大超過(guò)翅片的厚度,所以翅片的導(dǎo)熱可以看作一維導(dǎo)熱,翅片兩端的溫度最高等于隔板溫度tg,隨著翅片和流體的對(duì)流換熱,溫度不斷降低,在翅片中部趨于流體溫度tf。由圖2a~d可以明顯看出,翅片中的溫度分布沿翅片高度方向逐漸向中間降低,相對(duì)于翅片中線大致成對(duì)稱分布。為此,說(shuō)明此模擬結(jié)果與理論結(jié)果相符。圖4~圖6為7種規(guī)格的翅片中的流體平均Nu數(shù)和壓力降隨Re數(shù)變化的曲線圖,由圖可見(jiàn)翅片高度、厚度、翅距的變化對(duì)流體的平均Nu數(shù)和壓降有重要影響。相同Re數(shù)下,翅片越厚流體的平均Nu數(shù)越小,而壓降越大;相同Re數(shù)下,翅片越高流體的平均Nu數(shù)越小,壓降也越小;相同Re數(shù)下,翅距越小流體的平均Nu數(shù)越小,而壓降越大。

    6　結(jié)　論
    本文運(yùn)用CFD軟件,通過(guò)合理簡(jiǎn)化,建立了板翅式換熱器平直翅片的耦合傳熱模型,得出了板翅式換熱器在不同的翅片高度、厚度和翅片間距條件下平均Nu數(shù)和壓力降隨Re數(shù)的變化曲線,為板翅式換熱器的設(shè)計(jì)選型提供一種簡(jiǎn)便有效的方法。
參考文獻(xiàn)
[1]王松漢編著.板翅式換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1984.
[2]KaysW M, London A L. Compact heat exchanger, 3rd ed. 
NY:MacGraw-HillBook  Company, 1984.
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[5]祝銀海,厲彥忠.板翅式換熱器翅片通道中流體流動(dòng)與傳熱的計(jì)算流體力學(xué)模擬[J].化工學(xué)報(bào), 2006, 57(5): 1102-1106.
[6]FLUENT Inc.GAMBITModelingGuide. FLUENT Inc., 2003.
[7]FLUENT Inc. FLUENTUsers’ Guide. FLUENT Inc., 2003.