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板翅式换热器数值模拟研究点击：1795 日期：[ 2014-04-26 21:39:46 ] |
| 板翅式换热器数值模拟研究 董其伍 王 丹 刘敏珊 宫本希 (郑州大学化学工程学院,郑州 450002) 摘 要:采用数值模拟的方法研究了板翅式换热器的流体流动与传热性能,得出了七种不同高度、厚度和翅片间距大小的翅片流道中流体平均Nu数和压力降随Re数变化的曲线。 关键词:板翅式换热器; 平直翅片; 数值模拟 中图分类号:TQ051. 5文献标识码:A文章编号:1009-3281(2008)02-0025-04 板翅式换热器结构形式虽然很多,但其结构单元体基本相同,都是由翅片、隔板、封条和导流片组成的。翅片是板翅式换热器最基本的元件,翅片与隔板的连接均为完善的钎焊,传热过程一部分直接由隔板来完成,另一部分通过翅片来完成,由于翅片不像隔板是直接把热量传给冷流体,故翅片有"二次表面"之称。板翅式换热器的翅片形式主要有:平直翅片、锯齿翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、多孔翅片和钉状翅片等[1]。斯坦福大学的Kays和Lon-don[2]等人对56种不同的翅片形状进行实验,绘制了翅片的传热和阻力曲线图。板翅式换热器由于其具有体积小、质量轻、效率高、适应性强等一系列优点,在石油、化工、空气分离、制冷空调以及航天航空、电子等诸多工业领域得到越来越广泛的应用。 由于进行实验研究具有周期长,耗时费力的缺点,而数值模拟方法具有使用方便、灵活,研究和开发周期相对较短,费用较低、限制较少等优点。因此本文利用数值模拟方法,采用耦合传热模型,考察单个平直翅片中不同结构形式的翅片导热对流道中流体流动换热的影响。平直翅片结构形式如图1所示,图中虚线部分为本文模型的截面部分。 1 理论基础[3, 4] 数值模拟方法遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒这三个最基本的物理规律,其理论基础可以用以下方程式表示。 2·物理模型和数学描写[5] 本文采用有限元分析软件FLUENT软件,以国产的七种不同翅片高度、厚度和翅距的平直翅片为模型进行模拟,考察翅片流道中的流体流动和传热特性,模型长度取150mm。本文的模型尺寸分别采用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为例, 6. 5代表平直翅片高度为6. 5 mm, 0.代表翅片厚度为0. 2 mm, 1. 4代表翅片间距为1.mm, 150代表流道长度为150 mm。 翅片材料选用金属铝,流体介质采用稳态不可压缩的水,假设流体进口温度为300 K,计算采用标准层流模型,压力和速度耦合采用SIMPLE算法进行,边界条件采用速度进口和压力出口。由于翅片底部和隔板是完善的钎焊,通过导热方式传热,在建模型的过程中将该面画成一个面, fluent就自认为是一个导热面,假设该面为恒定壁温325 K;翅片与介质水对流换热的面设置为壁面条件wall中的耦合换热,即couple;模型两侧边设置为对称边界即symmetry。在求解过程中,当连续性方程、动量方程和能量方程中的变量残差分别达到10-3、10-3和10-6时认为计算收敛。 3 网格划分[6] 在进行数值模拟的过程中,网格划分部分是最关键的工作之一,网格的好坏直接影响着计算速度和计算结果的收敛性。本文的模型结构比较规则所以采用网格质量好、计算速度快、内存占用量少的六面体结构化网格分别对流体和固体部分进行划分。网格的疏密程度对模型计算结果也有很大的影响。计算之前首先对网格进行独立性测算,采用不同的网格密度重复同样的计算,比较所得的结果,当模型进一步细化网格,在工程允许的偏差范围内数值解已几乎不再发生变化,即认为此解为网格独立的解。以模型6. 5-0. 2-1. 4-150为例,在对计算网格加密以后,重新分析计算结果,通过比较结果发现,网格数量为36万左右时能够满足计算的精度要求。 4 边界条件设置[7] 本文模拟的固体部分翅片材料选用金属铝,流体介质采用稳态不可压缩的水,计算采用标准层流模型,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,边界条件采用速度进口和压力出口,假设流体进口温度为300 K。由于翅片底部和隔板是完善的钎焊,通过导热方式传热,在建模型的过程中将该面画成一个面,fluent就自认为是一个导热面,假设该面为恒定壁温325 K;翅片与介质水对流换热的面设置为壁面条件wall中的耦合换热,即couple;模型两侧边设置为对称边界即symmetry。在求解过程中,当连续性方程、动量方程和能量方程中的变量残差分别达到10-3、10-3和10-6时认为计算收敛。 5 分析与讨论 以6. 5-0. 2-1. 4-150的模型为例,在流体Re数为500时,流道进口截面、1/3处截面、2/3处截面、出口截面的温度分布如图2a~d所示。 以加热流体为例理论分析如下,假设通过隔板直接传给流体的热量为Q1,通过翅片导热传给流体的热量为Q2,则二次传热面的传热过程是沿着翅片的高度方向进行的,这时一方面通过热传导不断导入热量,另一方面通过翅片表面和流体的对流换热把热量传给冷流体。热量传递过程如图3所示。 由于沿流体方向的翅片长度大大超过翅片的厚度,所以翅片的导热可以看作一维导热,翅片两端的温度最高等于隔板温度tg,随着翅片和流体的对流换热,温度不断降低,在翅片中部趋于流体温度tf。由图2a~d可以明显看出,翅片中的温度分布沿翅片高度方向逐渐向中间降低,相对于翅片中线大致成对称分布。为此,说明此模拟结果与理论结果相符。图4~图6为7种规格的翅片中的流体平均Nu数和压力降随Re数变化的曲线图,由图可见翅片高度、厚度、翅距的变化对流体的平均Nu数和压降有重要影响。相同Re数下,翅片越厚流体的平均Nu数越小,而压降越大;相同Re数下,翅片越高流体的平均Nu数越小,压降也越小;相同Re数下,翅距越小流体的平均Nu数越小,而压降越大。 6 结 论 本文运用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,得出了板翅式换热器在不同的翅片高度、厚度和翅片间距条件下平均Nu数和压力降随Re数的变化曲线,为板翅式换热器的设计选型提供一种简便有效的方法。 参考文献 [1]王松汉编著.板翅式换热器[M].北京:化学工业出版社,1984. [2]KaysW M, London A L. Compact heat exchanger, 3rd ed. NY:MacGraw-HillBook Company, 1984. [3]陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安:西安交通大学出版社, 2001. [4]李海凤.板翅换热器倾斜波纹翅片传热与流动特性研究[D].山东:山东大学(硕士学位论文), 2006. [5]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. [6]FLUENT Inc.GAMBITModelingGuide. FLUENT Inc., 2003. [7]FLUENT Inc. FLUENTUsers’ Guide. FLUENT Inc., 2003. |
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