哈雷钎焊板式换热器
专业生产:换热器;分水器;过水热;冷却器
新闻动态

CFD技术在板翅式换热器设计开发中的应用

点击:942 日期:[ 2014-04-26 21:08:03 ]
                      CFD技术在板翅式换热器设计开发中的应用                               周寒秋1,潘 慈2,李剑锋3     (1、2·杭州杭氧股份有限公司石化工程公司,浙江省杭州市东新路388号 310004;3·杭州杭氧股份有限公司设计院,浙江省杭州市东新路388号 310004)     摘要:介绍CFD软件的应用领域及特点,阐述CFD技术在板翅式换热器设计中进行数值模拟的理论基础、传热与流动分析,指出CFD技术在板翅式换热器设计开发中的研究发展状况。同时,总结了对流体流动进行CFD技术数值模拟的一般步骤,并提出了CFD技术在板翅式换热器优化设计及开发方面的前景与方向。     关键词:板翅式换热器; CFD技术;数值模拟;设计开发     中图分类号:TK124   文献标识码:B     板翅式换热器具有传热效率高、温度控制性好、结构紧凑轻巧、适应性强等一系列优点,尤其适合两侧换热系数相差比较大及流道布置复杂的场合[1]。因此,板翅式换热器在空气分离系统中得到了广泛的应用与发展。但是,由于板翅式换热器存在流道易堵塞和易被腐蚀等缺点,要进一步提高传热效率等性能还需要与其他辅助技术结合,其中计算流体力学(CFD)技术对板翅式换热器的发展与进步作出了巨大贡献。美国斯坦福大学的Kay和London[2]曾对紧凑式换热器表面进行了较系统的实验研究,提供了40多种翅片形状的板翅式翅片的传热与阻力曲线图。但是由于板翅式换热器内的流体流动与传热规律十分复杂,仅靠实验测试并不能最终达到开发新产品和精确设计的目的。CFD技术可以比较快捷、准确、直观地反映出流体在换热器中的流动过程,如速度场、温度场或浓度场的分布,其技术方法的应用与发展使得许多流体和传热工程的实际问题不再局限于漫长而复杂的实验研究。     1 CFD技术的发展及其软件     CFD (Computational Fluid Dynamics,即计算流体力学)是目前研究传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应等方向的重要研究工具[3、4]。由于数值模拟相对于实验研究具有独特的优点,比如成本低、能使设计思想迅速可视化、能获得完整的数据、能模拟较复杂或较理想的过程、能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态,对于设计、改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用,故而CFD技术得到了越来越多的应用[5、6]。     近年来,国内外重点加强了设计制造方法学的研究,提出通过计算流体动力学(CFD)模拟计算,来评价、选择和优化设计方案,从而大幅度减少实验室和实体试验研究工作量。     采用CFD方法对流体流动进行数值模拟,通常包括以下步骤[7~10]:     (1)建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型,各种CFD通用软件的数学模型的组成都是以纳维—斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体,再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面流模型以及非牛顿流体模型等,大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加运算方程与关系式。     (2)建立针对控制方程的数值离散方法及求解方法,离散方法如有限差分法、有限元法、有限体积法等。大部分CFD通用软件采用有限体积法,目前已发展了多种收敛性好、精度高的离散格式。(3)编制程序和进行计算,这部分包括网格划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。     (4)显示计算结果,进行后处理。     CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理3部分组成。20世纪80年代初, CHAM公司在Spalding与Patankar提出的SIMPLE算法(半隐式压力校正解法)的基础上,推出了计算流体力学与传热学的商业化软件PHOENICS的早期版本,这是CFD通用软件包的雏形。随后,新的通用软件,如Fluent、Star-CD与CFX等也相继问世,这些软件十分重视商业化的要求,在前、后处理,人机对话等方面下大功夫。Fluent、Star-CD与CFX堪称目前CFD主流商业软件, Fluent (包括其多种专用版本)的市场占有率达40%,显然是应用面最广、影响最大的CFD软件; Star-CD在汽车工业中广泛用于内燃机计算;而CFX则在叶轮机、核能工程等领域广泛使用。至今,全世界已有至少50余种这样的流动与传热问题的商业软件,在促进CFD技术应用于工业实际中起了很大的作用。     到目前为止,应用CFD技术研究板翅式换热器还少有人问津,但笔者认为,应用CFD技术分析揭示板翅式换热器传热机理和进行优化设计将是今后研究的重点,考虑到我国板翅式换热器开发和实验经费还相对缺乏的具体情况,许多实验因费用昂贵而无力继续进行,而CFD技术方法具有成本低和能模拟较复杂的过程等优点,其技术的应用研究就更加具有特别的重要意义。     2 CFD技术在板翅式换热器中的应用     2·1 传热与流动CFD数值模拟的理论基础     在流体力学中,描述流体运动的基本方法有拉格朗日法和欧拉法。拉格朗日法是研究流场内个别流体质点在不同时刻其位置、流速、压力的变化,也就是用不同质点的运动参量随时间的变化来描述流体的运动。因此,拉格朗日法是追踪个别质点的描述方法,用它可以研究流体运动的轨迹和轨迹上各流动参量的变化。欧拉法是研究整个流场内不同位置上的流体质点的流动参量随时间的变化,也就是用同一瞬时的全部流体质点的流动参量来描述流体的运动。在工程实际上,较多的是研究整个流场的特性,因此采用欧拉法比较方便。     换热器内的流体定义为不可压缩的牛顿型流体。一般黏性流体流动均遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,在三维正交笛卡儿坐标系下,其理论基础可以满足以下基本控制方程[11]:                                   式中,u、v、w为x、y、z方向的速度分量;p为压力;ρ为流体密度;μ为流体黏度; T为温度; t为时间;λ为导热系数; cp为定压比热容。固体区域内不存在动量的控制微分方程,能量微分方程(5)对固体区域仍然是适用的,只是固体区域内能量方程中包含速度项均为零。对翅片内导热和流体间相互耦合的传热问题,利用控制容积有限元法进行整体耦合数值求解。当换热器内流体处于湍流状态时,还应加上湍流模型方程。     2·2 传热与流动分析     从传热机理上看,板翅式换热器仍属于间壁式换热器。其主要特点是具有扩展的二次传热表面(翅片)。所以传热过程不仅是在一次传热表面(隔板)上进行,而且同时也在二次传热表面上进行。高温侧介质的热量除了由一次表面(隔板)导入低温侧介质外,还沿翅片表面高度方向传递部分热量,再将这些热量对流传递给低温侧介质。由于翅片高度大大超过了翅片厚度,因此沿翅片高度方向的导热类似于均质细长导杆的导热,此时翅片的热阻就不能被忽略。翅片表面传热机理如图1所示。                        通过一次传热面的热量用Q1表示,通过二次传热面的热量用Q2表示。翅片两端的温度最高等于隔板表面温度tw,随着翅片和介质的对流放热,温度不断降低,直至在翅片中部趋于流体温度tf。     传热计算中,当板翅式换热器内流体分配不均匀时会引起性能的显著下降。数值计算认为可导致逆流换热器的整体效能下降7%,而对错流式换热器效能的影响高达25%[12]。简单的封头分配不均匀性分析可通过解析方法完成,复杂的只有通过数值计算方法来分析传热过程。对通道间物流分配不均匀的情况, London采用单通道模型对低雷诺数层流状态下的情况进行了理论分析,后来又将该理论分析推广于多通道模型分析[13]。Weimer等就不均匀流体分配对多股流、多通道换热器性能影响进行了研究。对于两相流问题,不均匀分配问题显得尤为突出[14~16],物流的不均匀分配使得板翅式换热器严重偏离设计工况。现在的研究,较多是定性的,离设计应用仍有很大距离,主要靠扩大设计安全系数来弥补换热器效能的下降,增大换热面积意味着生产、运行成本的增加,造成了资源的浪费,因此物流不均匀性问题仍是中外学者研究的一个重要方向。     2·3 板翅式换热器的主要CFD数值模拟研究由于板翅式换热器结构的复杂性,以CFD为工具研究板翅式换热器的人还比较少。目前,板翅式换热器的CFD模拟研究主要集中在:     (1)如何从结构上保证流体均布;     (2)翅片传热及阻力特性的模拟。     Carluccio[17]建立了锯齿翅片的三维数值模型,来预测锯齿翅片在紧凑式换热器中的传热和压降特性,数值模拟结果与经验公式吻合很好。张站、侯海焱等人[18、19]采用二维数值模拟方法研究了锯齿翅片紧凑式换热器表面特性。祝银海等[20]利用CFD软件对平直翅片和锯齿翅片通道进行了数值模拟,比较了两种翅片中流体的边界层和局部传热系数,从微观角度分析锯齿翅片高换热效率的根本原因。李媛等[21]则利用CFD软件对不同结构参数的平直翅片、波纹翅片和锯齿翅片通道进行了三维数值模拟,分析了平直翅片的翅片高度和翅片间距、锯齿翅片的切开长度、波纹翅片的波幅与波距对翅片表面流动与传热性能的影响。其研究结果与实验得出的结论是一致的,用CFD技术进行数值模拟研究是可行的。结果分析出了平直翅片的高度对其传热性能有直接影响,翅片间距越大,传热效果越好;锯齿翅片的切开长度越短,传热性能越好;波纹翅片的波幅越大、翅片间距越大,其传热效果越好。孙志江[22]对低雷诺数下平直翅片和锯齿翅片表面性能进行试验研究,并建立翅片的CFD模型进行数值模拟,对模拟得到的速度场、温度场和局部传热特性进行了分析,并对试验研究和数值模拟得到的翅片表面性能曲线进行比较。结果表明:模拟结果和试验数据的最大误差不超过20%,建立的翅片CFD模型可以用来预测翅片的表面性能。董其伍[23]等人利用CFD软件,通过合理简化,建立了板翅式换热器平直翅片的耦合传热模型,研究了板翅式换热器的流体流动与传热性能,得出了7种不同高度、厚度和翅片间距大小的翅片流道中流体平均努谢而数和压力降随雷诺数变化的曲线,为板翅式换热器的设计选型提供了一种简便有效的方法。     3 板翅式换热器CFD技术的发展方向     CFD技术在板翅式换热器的研究和发展中起到了重要的作用。通过对板翅式换热器的CFD技术数值模拟,能够完成板翅式换热器实验研究无法实现的流场分析与研究,对板翅式换热器的优化设计具有巨大的指导意义。     CFD技术在板翅式换热器的优化设计应用方面的研究还有大量工作要做,主要表现在以下几个方面:     (1)建立模拟流动和传热的数值模型,研究翅片流动和传热的本质,预测新型表面的传热、阻力系数及其关系,建立j因子和f因子数据库。     (2)物性变化的影响和如何从结构上保证流体均布的问题也是板翅式换热器CFD研究的重要方向。     (3)相对于单相流的传热及流动,伴有相变和两相流的传热及流动的研究显得很薄弱,今后是一个重要发展方向[24]。     CFD技术与板翅式换热器的设计研究相结合体现了科学技术之间的互助和协调发展,这对今后板翅式换热器的研制具有深远的影响。     4 应用实例     本实例采用CFD软件Fluent对锯齿翅片通道的传热与流动进行数值模拟,分析了锯齿翅片的速度场、温度场。速度场和温度场分布如图2和图3所示。                        从图2和图3可以看出,由于金属的导热系数很大,固体部分温度变化很小。壁面附近流体速度和温度较低,通道中心流体速度和温度较高。流体在锯齿翅片通道的速度和温度分布比较均匀。由于锯齿翅片交错的影响,增加了对流体扰动,流体流动边界层和热边界层在流动方向上不断被破坏,在通道内热流体将热量传给上下隔板的过程中,壁面流体迅速降温并与通道中心流体充分混合,最终达到较均匀的传热性能,提高了传热过程的传热效率。     5 结 论     随着计算流体力学(CFD)技术、计算机辅助工程(CAE)技术等一些新技术在板翅式换热器设计中的应用和制造工艺的提高,板翅式换热器的应用领域不断扩大,将进入一个全新的发展时期。如果能将理论分析、实验研究、CFD数值模拟三者紧密地结合起来以相互补充,这将是研究板翅式换热器问题的理想而有效的手段。  参考文献: [1]罗森诺.传热学应用手册(上) [M].北京:科学出版社, 1992. [2] Kays W M, London A L·Compact heat exchanger,3rd·NY: Macgraw-Hill  Book Company, 1984. [3]张哲,厉彦忠,田津津. CFD技术在板翅式换热器设计中的应用[J].低温与超导, 2002, 30 (3): 43-45. [4]姚征,陈康民. CFD通用软件综述[J].上海理工大学学报, 2002, 24 (2): 137-144. [5]王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004. [6]周力行.湍流两相流动与燃烧的数值模拟[M].北京:清华大学出版社, 1991. [7]蔡树棠,刘宇陆.湍流理论[M].上海:上海交通大学出版社, 1993. [8]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 1995. [9]郭宽良.计算传热学[M].合肥:安徽科学技术出版社, 1987. [10]刘霞,葛新锋. FLUENT软件及其在我国的应用[J].能源研究与利用, 2003 (2): 36-38. [11]陶文铨.数值传热学[M].北京:高等教育出版社,1988.[12]同文献[9]. [13] Shah R K, London A L·Effects of nonuniform passageson compact  heat exchanger performance [J]. Journal ofEngineering for Power Trans  ASME, 1980, 102 (7):653-659. [14] Mueller A C, Chiou J P. Review of various types of flowmaldistribution  in heat exchanger [J]. Heat TransferEngineering, 1988, 9 (2): 36-50. [15]巫江虹,陈长青.板翅式换热器两相流分配特性及实验研究[J].西安交通大学学报, 1995, 29 (11):117-126. [16]巫江红,陈长青,吴业正.板翅式换热器两相流入口分配结构机理分析[J].低温与特气, 1996 (2):38-40. [17] Carluccio E, Starace G. Numeric alanalysis of a cross-flow  compact heat exchanger for vehicle applications[J]. Applied Thermal  Engineering, 2005, 25 (13):1995-2013. [18]张站,魏琪,侯海焱.错列翅片换热器表面换热及阻力特性数值研究[J].江苏大学学报, 2002, 23(2): 39-42. [19]侯海焱,魏琪.错列翅片紧凑式换热器湍流流动及换热性能的数值研究[J].能源工程, 2002 (4): 6-10. [20]祝银海,厉彦忠.板翅式换热器翅片通道中流体流动与传热的计算流体力学模拟[J].化工学报, 2006,57 (5): 1102-1106. [21]李媛,凌祥.板翅式换热器翅片表面性能的三维数值模拟[J].石油机械, 2006, 34 (7): 10-14. [22]孙志江.基于CFD板翅式换热器传热与流动研究[D].南京:南京工业大学, 2007. [23]董其伍,王丹,刘敏珊,等.板翅式换热器数值模拟研究[J].化工设备与管道, 2008, 45 (2): 25-27. [24] Mueller T , Hecht T . Plate-fin heat exchanger performance  reduction in special two-phase followconduction [J]. Cryogenics,  1995, 35 (5): 297-301.
上一篇:冷却水换热器结垢和腐蚀的原因及处理措施 下一篇:空冷凝汽器翅片管换热器阻力特性数值研究

相关资讯

Copyright ©2008 哈雷换热设备有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技园西坞金水路 电话:0086-574-88928255 传真:0086-574-88916955
换热器 | 板式换热器 | 钎焊板式换热器 | 冷却器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式换热器 | 网站地图 | XML 浙ICP备09009252号 技术支持:众网千寻