换热器课程设计
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不同倾斜角新型板式换热器特性及场协同原理分析点击：1964 日期：[ 2014-04-26 21:14:04 ] |
| 不同倾斜角新型板式换热器特性及场协同原理分析 郭春生，杜文静，王飞，程林 (山东大学热科学研究中心，山东济南250061) 摘要:通过三维CFD数值模拟软件ANSYS-CFX模拟分析一种新型波纹板式换热器———复合人字形板式换热器，分析其倾斜角β为20°～70°的传热和阻力特性，并对不同倾斜角的复合人字形板片进行场协同理论分析。数值计算结果表明:在β=60°时复合人字形板式换热器比普通人字形板式换热器的摩擦阻力系数低8%左右，综合性能提高25%左右;β=20°时速度场、温度场和压力场协同最好。 关键词:板式换热器;数值模拟;传热;阻力;场协同原理 中图分类号:TK 124文献标志码:A doi:10．3969/j．issn．1673-5005．2011．06．025 以人字形为主的波纹板式换热器因其具有良好的传热特性和较好的阻力特性，广泛地应用在石油化工等众多领域［1］。前人的研究主要集中在对板式换热器的试验和数值分析人字形板式换热器的几何尺寸的变化、拟合特定板形的回归方程以及轴向反混和流道内流体分配不均等问题［2-4］。为了深入揭示对流强化换热的实质，GUO Z Y等［5］从能量方程出发，证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施，改善温度场和速度场的协同性是强化换热的根本机制。何雅玲等［6］从动能方程出发，分析和探讨了速度场和压力场的协同性，提出了高效低阻强化换热技术在于温度场、速度场和压力场的较好协同。笔者设计一种新型板式换热器，并分析不同倾斜角的新型板式换热器的三场协同程度。 1·计算区域选取及其数学描述 模型为复合人字形板片结构如图1所示。其结构分为大小两种波纹，大波纹波高3 mm、法向节距12 mm，小波纹波高0.75 mm、法向节距3 mm，板片长280 mm，宽100 mm，厚0.5 mm，波纹倾斜角β分别为20°、30°、40°、50°、60°、70°。 在三维坐标系下进行计算，采用RNG k-ε湍流模型，考虑流固耦合问题［7］，则换热器内流动和换热的控制方程组［8-9］如下: 质量流量连续方程为： 用以上方程来描述湍流流动时，u、p、T等代表相应脉动物理量的瞬时值。 边界条件:流体入口采用速度入口(0.3～2.1m/s)，出口采用压力出口边界(静压为0 Pa)，入口、出口温度分别为323、293 K，上下流道交界面设为换热面，其余各面设为壁面边界条件。 数值模拟基于CFX(ANSYS 11.0)有限元软件，利用ICEM画网格，鉴于流道非常复杂，故采用非结构化四面体网格，对网格做了对立性验证，最终单元数约为330万。 2·计算结果及其分析 2.1传热特性和阻力特性分析 图2(a)为不同倾角无限大等壁温平板的努塞尔数(Nu0=7.54)分布。其中人字形板片的数值模拟结果来自Croce和Agaro［10］，试验结果来自Mul-ey［11］提出的经验公式。从图2中可以看出，β=60°时复合人字形板片的努塞尔数是无限大光滑平板通道努塞尔数的2～25倍，并且在Re=1 500～15 000内，比Croce的β=60°人字形板片的数值模拟结果高出20%～25%，比Muley的β=60°人字形板式换热器试验结果高出50%～60%。复合人字形板片的努塞尔数随着倾斜角增加不断增加，且增加幅度变化不大。 图2(b)为无限大平板间流动摩擦阻力系数随雷诺数的变化(f0=96/Re)。从图2(b)中可以看出，β=60°复合人字形板片的摩擦阻力系数是光滑平板通道的24～250倍。在Re=2 000～20 000内，比Croce的β=60°人字形板片的数值模拟结果低8%～10%，比Muley的β=60°人字形板式换热器试验结果低20%左右。复合人字形板片的摩擦阻力系数随着倾斜角增加不断增加，且增加幅度越来越大。 从图2(c)中可以看出，β=60°复合人字形板片的同功耗换热强化指数比Crose的人字形板片高25%～30%，而比Muley的人字形板式换热器试验结果高45%～55%，因此复合人字形板片与广泛应用的人字形板片相比，其同功耗换热强化效果要好25%以上。不同倾斜角的复合人字形板片的综合性能指数随着倾斜角增加不断减小，且减少的幅度越来越小。 2.2速度场与温度场协同分析 采用冷学礼等［12］对速度场和温度场梯度局部协同角的改进式: 图3为速度场和温度场夹角平均值θm、速度和温度梯度点积分值Fc与Re的关系。由图3可以看出:随着Re增加，不同倾斜角的复合人字形板片的θm都增加，Fc都减小，这说明随着Re增加速度场和温度场的协同程度变差，从这一点上更好地说明随着雷诺数增加努塞尔数不是线性增加而是增加幅度越来越小;Fc值远小于1，说明其优化的空间还很大;随着复合人字形板片倾斜角增加其协同度不断增加;相同Re，β=70°时具有最小的θm和最大的Fc，说明此时换热最好。 2.3速度场与压力场协同分析 何雅玲等［6］在速度场和温度场协同的基础上，从动能方程出发，提出压力梯度的做功率为： 图4为速度场与压力场夹角平均值θn与Re和Fc的关系。 从图4中可以发现:复合人字形板片倾斜角小于70°时，其θn值随着雷诺数的增加而减小，说明随着Re数增加速度场和压力场的协同性逐渐变差;较小倾斜角的复合人字形板片得到更高的θn，说明其速度场与压力场的协同较好。同时还可以发现，当倾斜角β=70°时其变化规律发生变化，说明它的流场发生了变化，尽管β=70°的复合人字形板片的速度场与压力场夹角的平均值大于β=50°和60°时的，不能说明β=70°的压降小于β=50°和60°时的，所以速度场与压力场夹角平均值越大其压降越小的规律只能基于一定的流场分布。 从图4中可以发现，在相同Fc下，较小倾斜角的θn较大，这意味着在相同的温度和速度协同程度的基础上，β=20°的复合人字形板片结构形式使得其速度场和压力场协同更好，从而使得其压降变化较小。 无论在强化换热综合性能评价中还是在场协同原理分析中都说明β=20°的复合人字形板式换热器具有更好的综合性能，这说明强化换热综合性能评价标准和场协同原理对于优化换热器呈现出一致的关系，即具有更高强化换热综合性能评价指数的板式换热器其速度场、温度场和压力场三场协同也是最好的。 3·结论 (1)新型的板式换热器———复合人字形板片，在相同雷诺数条件下，不但传热效果要好于传统的人字形板片结构，而且阻力也小于传统人字形板片结构，表现出更高的综合性能。 (2)随复合人字形板片倾斜角增加其传热、阻力不断增加，但其综合性能不断下降。 (3)复合人字形板片倾斜角增加可以强化传热，本质是改善其速度场与温度场的协调性。复合人字形板片倾斜角β=20°，速度场、温度场和压力场协同最好。 (4)板式换热器设计中对于倾斜角的选择，设计人员只注重其初投资，所以往往选择具有更好换热效果的较大倾斜角，但如果从换热器整个生命周期出发，具有更高综合性能的应该是较小倾斜角的板式换热器。 参考文献：略 |
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