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波纹板式换热器的数值模拟点击：1897 日期：[ 2014-04-26 21:39:30 ] |
| 波纹板式换热器的数值模拟 蓝少健1,朱冬生1,钟家淞2,赵 强1 (1.华南理工大学化学与化工学院传热强化与节能教育部重点实验室,广东广州 510640;2.广东万和集团,广东佛山 528305) 摘要:以波纹板式换热器作为研究对象,通过流体力学(CFD)软件,对波纹板内、外流体流动进行了数值模拟研究。板内流体流动研究表明,流体在板内流动时存在流动死区,在这些区域里传热效果很差,导致板壁面出现热点。板间烟气流动研究表明,板片的凹凸波纹结构,起到了强化烟气侧传热的作用,其中凸波纹的作用要明显优于凹波纹,同时波纹板片式换热器的凹波纹区域存在一定的烟气脱体现象。该数值模拟研究结果对提高波纹板式燃气热水器的换热效率有一定的指导意义。 关键词:波纹板;传热;数值模拟 中图分类号:TQ 051. 5 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2010)08-0018-04 在燃气热水器中,普遍采用的是铜翅片管换热器作为烟气-水换热器。虽然翅片管换热器具有结构紧凑、传热系数大的优点,但由于翅片侧的流动阻力大,对传热性能有很大影响,而且在其制造加工方面也存在成本和难度高等问题[1-3]。本文采用新型的波纹板式换热器对热水器进行节能技术改造,以期进一步提高设备效率,提高燃气热水器的综合性能。波纹板式换热器是一种具有典型原表面结构的全焊接板式换热器[4-5],其结构特点非常适合用做燃气热水器的烟气-水换热系统。基于其扩展表面发达、传热系数高、成本低(不锈钢材料)、不存在接触热阻等优点,对研究其在热水器上的传热性能意义重大。利用FLUENT商业软件,建立了燃气热水器主要换热元件———波纹板式换热器板内外流体流动的计算模型,并利用该模型分析波纹板式换热器的传热与流动性能。 1·物理模型 1.1 板内流体流动的物理模型 本文研究的板型为直流道交错流波纹板。在合理简化实物模型的基础上,建立了波纹板内流体流动的三维物理模型,如图1所示。 1.2 板间烟气流动的物理模型 由图1可知,在沿着流体流动方向上,波纹板的凹凸结构呈周期性变化,因此,板间的空隙结构也是呈周期性变化的。本文选取2个具有代表性的截面(垂直于板内水流方向),即凸纹截面和凹纹截面,对板间烟气的流动和传热性能进行数值模拟研究。在对实物模型进行合理简化的基础上,建立了高温烟气在板间流动的二维物理模型,如图2所示。 2·数学模型 2.1 板内流体流动数学模型 本文结合波纹板内的流动和换热特点,对流经换热板片通道内的流体进行如下假设:①流体为不可压缩流体即牛顿流体;②忽略流体流动时的黏性耗散作用所产生的热效应;③忽略流体重力的影响,并且假定流体的物性不随温度变化;④流体进口速度假设为已知,进口压力及出口速度为自由边界条件。流体控制方程可参考有关计算流体力学或传热学教科书。 2.2 板间烟气流动数学模型 板间烟气必须满足基本控制方程,另外,由于烟气的流动路径复杂,虽然烟气通道很薄,但由于流动在进入波纹板式换热器前充分发展,因此,流动为湍流,应采用标准k-ε湍流模型,保持模型中的各参数值不变。 3·边界条件 3.1 板内流体流动边界条件处理 入口边界条件:入口流速0. 6 m/s,模拟中板的进水温度设定为297 K(以上各条件是热水器在额定工况下的参数)。从入口边界测量的数据估算出湍流强度为5%和水力直径为11. 6 mm来描述湍流量[6]。出口边界条件:当模拟介质流动出现回流的时候,使用压力出口边界条件代替质量出口条件常常有更好的收敛速度[7]。因而出口边界条件采用压力出口条件,设定为100 kPa的表面压力,此时出口处的流体速度和温度为自由边界条件。壁面条件:壁面边界条件用于限制流体和固体区域。默认情况下壁面厚度为0,在解能量方程时,需要在壁面边界处定义热边界条件。本文中设定壁面为恒热流密度边界。 3.2 板间烟气流动边界条件处理 入口边界条件:烟气入口温度900 K,入口速度为2. 2 m/s(以上各条件是热水器在额定工况下的参数)。出口边界条件采用压力出口条件,设定为100 kPa的表面压力。水侧处理为热流边界,即设置热流为一定值的热源。 4·计算结果及讨论 4.1 板内流体的模拟结果和分析 图3与图4分别是板内流体速度分布矢量图与压力场分布图。从图中可以看出,在板入口处水流分布比较均匀,当进入波纹区后速度的方向和大小开始随波纹的变化而改变。在凸纹处,由于空间的突然增大水流速有所下降,但流动方向的改变也增大了沿壁面方向的速度分量,有效地减小了协同角起到强化传热的作用;在凹纹处,由于流通截面变窄水流速有明显的增加(速度高于入口处)。在靠近板的上边沿和下边沿处,由于没有波纹结构流动阻力较小,因此水的流速很高,这也保证了无波纹区域的换热效果。同时,还注意到,沿水流方向上二凹纹之间存在一个低流速区域,这个区域里水流速度很低,而且存在旋涡,这部分水流速低、更新慢是板内换热较差的区域。 图5是板内流体流动时温度场的分布情况。从图5可以看出,板表面的温度分布比较均匀,保持在343—353K之间。在二凹纹之间的区域存在一些温度较高的热点,这是由于在二凹纹间流体的流速低、更新慢,是传热较差的区域,因此这个区域的板表面温度要略高于其他区域。相反,在凸纹区域和流速较高的板上下两端,由于传热效果好其温度要略低于板主体区域。 由于本文所用波纹板束换热器实物共有3组板管,这里对板内的流动和传热过程再进行2次相同的模拟,以前次的流体出口温度作为下次的入口温度,其他条件不变,最终的模拟结果见图6。从图中可以看出,流体经3束板换热后,出口温度可以达到323 K左右,这样,换热器整体的温升可以达到28K,这个温升已经达到国标[8]中关于热水器在额定工况下的工作能力。 4.2 板间烟气的模拟结果和分析 对烟气在板管间的流动模拟结果如图7—8所示,图9则为板管间的压力分布结果。 烟气在刚进入板片间通道时,速度均匀分布。进入波纹区域后,由于凸纹截面和凹纹截面的结构特点存在明显差异,速度分布各有特点。对于凸纹截面,当烟气遇到第1排波纹时,迎风部分从驻点开始流速逐渐增大,静压下降,从而形成顺压梯度,边界层流动能保持稳定,烟气贴板壁面流动。烟气绕过板壁到达背风面时,流动截面逐渐变大,流速变慢,静压逐渐增大,因此,产生逆压梯度,并且逆压梯度逐渐增大。在黏性的阻力作用下,贴近壁面的质点速度很低,动能较小,无法克服逐渐增加的逆压差,即边界层内的流体维持不了向前的流动,而是在固体壁面和外势流之间堆积起来,回流区沿外方向不断向外扩展,外势流愈来愈被推离板表面,从而形成了边界层的分离。从图7可以看出,在二凸纹之间的凹陷区域,出现轻微的烟气脱体现象。流过第1排凸纹的烟气受到第2排凸纹的影响,在第2排凸纹的迎风面贴体流动,速度开始增大,截面最窄处达到速度最大值,绕过板壁到达第2个背风面,重复之前出现的脱体现象。 凹纹截面波纹结构比较简单,烟气的通道平直且较凸纹截面宽。烟气速度在该截面分布较为均匀,板管间速度约为4 m/s,板管与外壁间速度约为2. 8 m/s。在烟气流经该截面的凹纹区域时,也出现了类似于凸纹截面的烟气脱体现象,其原因类似于前者。对比图9中的2幅云图可以发现,凹纹截面的脱体现象比较明显。 4.3 传热特性分析 图10是烟气绕流板片的温度场分布。从图中可以发现,对于凸纹截面,当烟气绕流过第1排波纹后,温度降至750 K左右,经过第2排波纹后温度降到640 K,当经过第3排波纹到达出口处时,温度已接近500 K,在板管上方的区域由于烟气与水换热的缘故,温度进一步降低到430—450 K。对于凹纹截面,换热性能要相对差一些,板管间的烟气出口温度达到了550 K以上。造成这种现象的原因如下:凸纹截面板管间的结构类似于波纹管,呈缩放状,烟气在这样的通道中流动时会形成许多小的局部旋流,这增大了沿温度梯度方向的速度分量,减小了速度场与温度场的协同角,有效地强化了烟气的传热。而凹纹截面板管间的结构比较平直,烟气流过这样的通道时中心到板壁面的温度梯度比较大,换热效果差。 5·结论 在合理简化的基础上,建立了波纹板板内流体流动和传热的三维模型,从温度场、压力场、速度场3个方面分析了板内的流动和传热情况。模拟分析的结果表明:流体在板内流动时存在流动死区,在这些区域里传热效果很差,导致板壁面出现温度热点。对于整体换热效果从模拟中难以体现,需要结合实验手段,进行实际测试方能确定。 同时建立了板外烟气流动和传热的二维模型,对板间的流动特性和烟气的换热特性进行了模拟分析。板间烟气流动和传热模拟表明:板束的凹凸波纹结构,起到了强化烟气侧传热的作用,其中凸波纹的作用要明显优于凹波纹,同时发现波纹板束换热器的凹纹区域存在一定的烟气脱体现象。 参考文献: [1]娄桂云.冷凝式燃气热水器换热装置的研究[D].上海:同济大学, 2005. [2]谭顺民.冷凝式燃气快速热水器的热效率分析与实践[J] .重庆建筑大学学报, 1995(4): 60-65. [3]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 1998. [4]朱冬生,钱颂文.换热器技术及进展[M].北京:中国石化出版社, 2008: 177-202. [5]张延丰,宋秉棠.直流道交错流波纹板束:中国,200510076872. 7[P]. 2006-12-27. [6]WEBB R L, ECKERT E R C. Application of rough sur-faces to heat exchanger design [J]. Int J HeatMassTransfer, 1972, 7(15): 1647-1658. [7]曲宁.板式换热器传热与流动分析[D].济南:山东大学, 2005. [8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB6932—2001家用燃气热水器[S].北京:中国标准出版社, 2001. |
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