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板翅式换热器热力学特性的仿真研究点击：1981 日期：[ 2014-04-26 21:57:37 ] |
| 板翅式换热器热力学特性的仿真研究 蔡宇宏 朱春玲 （南京航空航天大学，江苏南京210016） 【摘要】为进一步优化高效换热器的结构参数和设计方案，以铝制板翅式换热器中常用的锯齿形翅片为研究对象，采用计算流体力学（CFD）模拟方法，分析换热器内部的热力学特性。同时通过换热器性能试验验证模型的正确性，在此基础上，分别分析了锯齿形翅片的翅片高度、翅片厚度和翅片间距对其传热和流动特性的影响。 【关键词】板翅式换热器；锯齿翅片；数值模拟；耦合传热 【中图分类号】TK172【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(2010)02-0123-03 引言 铝制板翅式换热器以其自身结构紧凑、体积小和经济性好等突出的优点，在航空航天、制冷空调、空气分离、石油化工等领域得到越来越广泛的应用，翅片的类型和结构尺寸是影响换热器性能的重要因素，而锯齿形翅片在板翅式换热器的应用中占有重要的地位。 在传统的换热器设计和研究中，通过试验方法来确定翅片表面的传热和流动特性是一种普遍的手段。由于板翅式换热器结构紧凑，其内部流道中的流场结构和传热特性相当复杂，很难用试验方法来反映和分析热力学特性。因此，近年来国内外提出通过计算流体力学（CFD）模拟分析方法来优化其几何结构参数。通过CFD方法，在获得直观、快捷结果的同时大幅度地减少试验研究工作量，并且可以清楚的了解翅片内部的压力、温度、速度等参数的分布和变化情况，进而实现换热器设计方案的优化和改进。有关学者在这方面也作了一定的研究。文献[1]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，假设翅片具有很高的导热系数,使翅片表面能达到均温，考虑二维定常的流动与换热。文献[2]采用三维数值模拟方法进行了研究，将翅片和隔板假定为一个恒温壁面。文献[3]也采用了三维数值模拟方法，将隔板温度假定为恒温壁面，将用户自定义的双曲函数导入Fluent中作为翅片表面温度的边界条件。 由于换热器内部的结构非常复杂，采用二维数值方法很难反映出真实的流动和传热特性。此外，换热器内的翅片、隔板及冷热流体之间是一个相互耦合传热的问题，隔板温度和翅片表面温度并不是一个定值，而是沿着冷热流体流动方向和翅片高度方向存在着温度梯度，这一影响因素在以前的研究中都未加以考虑。本文采用商业CFD软件Fluent对板翅式换热器内部的耦合传热特性进行了模拟，并且通过试验加以验证。在验证了模型正确性的基础上，对比不同的锯齿形翅片的翅片高度、翅片厚度和翅片间距对换热器流动和传热特性的影响，分析优劣，为板翅式换热器设计和优化提供理论基础，对加速高效换热器研究有着重要的意义。 （一）模型的建立和求解 板翅式换热器的基本单元是由翅片、隔板、封条组成的通道。冷热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换。板翅式换热器的芯体则是由多个这样的基本单元组成[4]。 1·模型的建立 图1为板翅式换热器芯体结构示意图，换热器流动长度为295mm，采用的流道布置方式为单叠逆流方式。空气侧采用锯齿形翅片，空气流经翅片通道将热量传给隔板和翅片，冷却水侧采用平直形翅片，冷却水流经翅片通道，通过与隔板和翅片表面的对流换热将热量带走。由于换热器内翅片结构尺寸相对于芯体的长度来说是一种微小通道，并且冷热边层数较多，要用数值方法来模拟整个换热器是不现实的。因此为了简化计算模型，本文在分析了换热器芯体内部的结构布局及流动方式的基础上，截取了如图2所示的区域为计算单元。 2·网格的划分 在数值计算中，网格划分是整个模拟计算相当关键的一步，网格的质量直接关系到计算的精度和结果的可靠性。本文采用GAMBIT软件对计算模型进行了网格划分，为了提高网格的质量和计算速度，在网格划分时候采用了网格质量较高的六面体结构性网格。同时由于翅片结构复杂，为了保证网格在微小结构处的疏密程度，划分时采用了分块划分手段，针对各自结构进行了不同疏密程度的网格划分。图3为隔板和翅片固体区域的网格划分情况，图4为加入冷热流体后的整个计算模型的网格划分结果。 3·模型的求解 在数值求解过程中，要符合最基本的三大物理方程，即连续性方程、动量方程和能量方程。在本文的计算中，描述其流动和传热的控制方程如下[5]： Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。 当φ取不同物理量时，上式将对应于相应的控制方程。对于模型内翅片和冷热流体间相互耦合的传热问题，利用控制容积法进行整体耦合数值求解。模型的边界条件设定如下： 模型的翅片高度为实际翅片高度的一半，其上下端面设为对称性边界条件（symmetry），模型的宽度为换热器芯体的一个周期，边界设定为周期性边界条件（periodic）。冷热流体进口为速度进口边界条件（velocity-inlet），出口为压力出口边界条件（pressure-outlet）。冷热流体与翅片及隔板之间的相交面设定为耦合传热类型（coupled）。在求解过程中，当连续性方程和动量方程的残差达到10-3，能量方程的残差达到10-6，认为计算收敛。 （二）结算结果与试验验证 图5和图6分别给出了计算单元的温度场和速度场分布情况。从图中可以看出，锯齿形翅片对增加流体扰动、破坏边界层具有明显的效果。 由于在模型的选取时，对模型的边界条件设定了对称性边界条件和周期行边界条件，从而可以得出整个换热器芯体内部的温度分布情况。由于篇幅所限，图7给出了八层通道和15个周期的换热器芯体计算结果（整个芯体的结果也类似）。 为了验证数值模拟计算结果的正确性和可靠性，对板翅式换热器进行了性能试验，并把数值结果与试验结果做了对比。图8和图9分别给出了换热器性能试验的系统装置图和结构示意图。 图9换热器性能试验的结构示意图 图9换热器性能试验的结构示意图通过换热器性能试验，得出所研究的换热器在不同迎面风速条件下的换热量和压降，与数值计算的结果做出如下的对比： 图10和图11分别给出了换热器换热量的数值计算结果与试验值的对比。从图中可以看出数值计算结果与试验得出的结果在不同迎面风速下换热量和压降都保持良好的一致性。其中换热量的误差为5%～9%左右，压降的误差为4%～7%左右。从而说明模型的建立和计算过程的准确性和可靠性较高。 （三）翅片结构参数的分析与优化 在验证了上述模型可靠性的基础上，本文分析了结构参数（翅片高度、翅片厚度和翅片间距）的改变对换热器性能所带来的影响。由于所改变的结构参数为空气侧锯齿形翅片的参数，所以用锯齿形翅片侧的对流换热系数和压降作为性能指标来分析和优化。 图12和图13为不同翅片高度下换热系数和压降与Re的关系。从图中可以看出，随着雷诺数Re的增大，换热系数和压降都增加。在相同雷诺数Re下，翅片高度越低换热效果越好，但同时所带来的压降也越大。 图14和图15为不同翅片厚度下换热系数和压降与Re的关系。从图中可以看出，随着雷诺数Re的增大，换热系数和压降都增加。在相同雷诺数Re下，翅片越薄换热效果越好，并且压降也越小。 图16和图17为不同翅片间距下换热系数和压降与Re的关系。从图中可以看出，随着雷诺数Re的增大，换热系数和压降都增加。在相同雷诺数Re下，翅片间距越小换热效果越好，但同时压降也越大。 （四）结论 1.本文利用计算流体力学（CFD）方法对板翅式换热器进行了数值仿真，同时进行了试验验证。验证表明计算结果与试验得出的结果在不同迎面风速下换热量和压降都保持良好的一致性。 2.从数值计算结果中的温度场分布和速度场分布可以看出锯齿形翅片对增加流体扰动、破坏边界层具有明显的效果。 3.数值计算结果和试验都表明：随着迎面风速或雷诺数Re的增大，换热效果有明显的增加，但同时压降也增大。 4.本文分析了锯齿形翅片不同的翅片结构参数对换热器性能的影响：翅片高度越低、翅片厚度越薄和翅片间距越小换热效果越很好；翅片高度越高、翅片厚度越薄和翅片间距越大换热器的压降将越小。 【参考文献】 [1]候海焱,魏琪,张战.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). [2]董其伍,王丹,刘敏珊,宫本希.板翅式换热器数值模拟研究[J].化工设备与管道,2008,(2). [3]施晨洁,陈亚平,施明恒.板翅式换热器空气冷却侧传热性能的数值模拟[J].工程热物理学，2007，(4). [4]史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京:东南大学出版社,1996. [5]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001. |
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