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人字形板式换热器双流道模型的温度场数值模拟
陈文超 张锁龙 梁 欣
(江苏工业学院)
摘 要：应用数值计算软件fluent对人字形板式换热器进行温度场的数值模拟,模拟采用双流道形式,冷、热流体分别从上、下两个流道进入换热器进行热量交换,分别得出了冷、热流体的各自通道的温度分布,结合前人的研究结果,给出了人字形板式换热器的传热数据,从而使人字形板式换热器在传热参数上得到优化。研究表明,温度场在平行于进口速度方向上,温度梯度变化明显,层次较为清楚;在垂直进口速度方向上,温度梯度变化较平行时要低,层次不明显。
关键词：板式换热器 波纹板 温度场 温度梯度
中图分类号：TQ051·5 文献标识码：A 文章编号：0254-6094(2010)04-0465-04
人字形板式换热器是具有人字形波纹的一种换热器,板片错落摆放形成人字形,流体通过流道时,由原来的规则流变成交叉流再变成曲折流,能使流体在较低雷诺数下形成湍流[1, 2],从而提高换热器的换热效率。另外,板片的凹凸增加了其刚性,而且板片上、下波纹相叠加,使该板式换热器具有较高的承压能力。
有关板式换热器温度场的数值模拟研究,众多文献广泛采用的是单通道和模型简化的形式,然后通过相关化工手册中的已知条件对模型边界条件进行加载,只能得到流体单流场的温度场以及此流体所在流道的温度分布,并不能研究冷、热流体的相互影响,从而得不到冷、热流体的温度场,使模拟的形态与事实相差较大,数值模拟的结果与实验的结果发生偏差。就目前而言,研究板式换热器温度场模拟,完整模型的建立是对复杂问题全面模拟的一个必要前提,也是为以后处理温差应力因温度变化而产生破坏的必要条件。为此,笔者采用化工流体计算软件fluent对人字形板式换热器进行数值模拟,模拟由3块换热板片组成两个流道,分别流入冷、热两种流体,中间板片通过对流及热传导等形式进行换热,从而得出此换热器的温度场。
1 结构模型
实验采用人字形板片,其结构如图1所示,波纹板片相互倒置后叠放在一起,上下成人字形的波纹,从而形成周期性变化的通道,流体流过此通道时呈不规则的流动形态,即形成交叉流及曲折流等湍流强度较高的流体形态。
如图1所示, 3块换热板片形成了上、下两通道,分别流经冷流体和热流体,由于存在温度差,热流体将热量经过中间板片传递给冷流体的同时,受到上、下板片所形成的人字形的扰动,从而形成曲折流,在较低雷诺数(Re≈23~400)就能发生湍流,同时由于实验模型可有多种样式,采集数据量大,因而采用数值模拟形式具有很大的优越性。
2 创建分析模型
模型的初步创建是由三维制图软件solid-works完成的,以实体为保存形式,以parasolid格式为输出格式,然后将生成的文件导入前处理软件gambit。在gambit中做相应的修改,使相关的点成线,相关的线成面,相关的面成体,最后将模型生成两个实体,这两个实体分别代表冷流体和热流体的流域。
生成的人字形板式换热器结构模型如图2所示,模型参数为板片间距P=10mm,波高H=5mm,波纹倾角β=35°,计算区域大小为800mm×500mm。经网格精度测试,采用三角体网格,网格大小为2mm,网格划分如图3所示。
3 边界条件的选定
根据本文的要求,边界条件定义如下:
a.入口边界条件。在实际操作中,换热器入口流速是比其他条件容易得到的,故使用速度入口条件,入口速度大小为10m/s,温度设为900K。
b.出口边界条件。出口边界采用压力出口设置,经多方测试,采用充分发展的温度边界条件。
c.壁面设置为非滑移的静止壁面[3],即flu-ent默认的wal,l把壳体所在的壁面设置为绝热边界,壁面厚度为0. 0007m。
d.在冷热流体的交界面上,由于在模型上两个实体共用一个面,从而fluent会自动地认为它是交界面,在处理的过程中,会生成wall1和wall1-shadow两个面,这里要在这个面上设置成对流(convection)边界,才能使热传到冷流体,如果不设置, fluent会自动默认为wal,l那么将会作为绝热处理。
e.其余可默认。
4 分析模型求解
在模型求解的过程中,各项设置如下[4]:
a.模型选取。湍流模型选用工程上广泛采用的k-ε标准模型。
b.求解器。采用分离式求解器,该求解器对问题的收敛有益。
c.压力速度耦合算法。在fluent提供的simple、simplec和piso 3种压力速度耦合算法中,选用simple算法进行压力修正。
d.对流项离散格式。在分离求解器中,有一阶迎风离散格式,二阶迎风离散格式和quick格式,它们各有所长,笔者采用二阶迎风离散格式。
e.压力差值格式。因本实验中的流动并无大的旋流产生,故无需额外设置压力差值格式。.f亚松驰因子的确定。亚松驰因子是控制计算过程中的迭代更新的因子, fluent计算当中一般都会采用默认,但涉及到换热计算,应选用较少的松驰系数,笔者在松驰因子的温度选项中选取0. 8。
g.残差准则。本实验中各残差的准则均为收敛,且在实验过程中收敛可信残差值定为能量采用1×10-6,其余的都是1×10-3 [5]。
5 模拟结果分析
图4为有板片间上半部分温度分布云图。从图4可看出,与进口平行的方向有明显的温度梯度存在,并且温度梯度逐渐减小,而沿进口垂直的方向,从右向左侧温度明显呈走低态势。
图5、6是冷流体侧不同截面的温度分布图。相比较热流体而言,同样可以看出进口方向的温度梯度要比垂直于进口方向的温度梯度大,仍然是主要的温差应力的产生原因;在另一方向上也仍然存在相应的温度梯度,但温差较进口方向要小,且从图上看,近端要比远端温度高,并逐渐降低。
图7、8为横向截面温度沿坐标分布的静温分布。由图7可看出,冷流体的温度域是300 ~380K,温度在这一区间混合均匀,在340K以上出现温差;由图8可看出,热流体流域为500 ~900K,且在这一温度域不间断出现温差,混合总体上均匀,温差存在整个温度域当中。
6 模拟结果验证
采用南京宜热纵联节能科技有限公司的气-气高温板式换热器做实验验证,该换热器外形尺寸1 200mm×800mm,板片厚度0. 5~0. 8mm,当量直径14mm,换热系数30~40W /(m2·K)。采用相同数值模拟的方法,通过计算分析所得数据见表1。
由表1可见,通过CFD计算该板式换热器的换热系数均在30~40W /(m2·K)范围中,这与生产厂家提供一致。
7 结论
7.1 应用软件fluent对人字形板式换热器进行温度场的数值模拟,采用双流道形式,此形式并未简化模型,因此避免了人为误差。
7.2 冷、热流体温度场在平行于进口速度方向上,温度梯度变化明显,层次较为清楚;在垂直进口速度方向上,温度梯度变化较平行时要低,层次不明显。
7.3 热流体侧的温度梯度大于冷流体侧的温度梯度,热流体侧的温差大于冷流体侧的温差。
参考文献
1·栾志坚.波纹几何参数对人字形板式换热流动形态的影响机理.山东大学学报(工学版), 1985, 15(4): 35~37
2·郭崇志.固定管板式换热器的温度场数值分析.化工机械, 2008, 35(6): 338~342
3·郭崇志,梁泉水.折流杆换热器数值模拟新方法.化工进展, 2007, 26(8): 26~28
4·王福军.计算流体动力学分析: CFD软件应用及原理.北京:清华大学出版社, 2004
5·梁泉水.预应力换热器的分析与实验研究: [硕士论文].广州:华南理工大学, 2006
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