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板翅式换热器流道中流体流动与传热的数值模拟研究点击：1827 日期：[ 2014-04-26 22:05:52 ] |
| 板翅式换热器流道中流体流动与传热的数值模拟研究 董其伍 王丹 刘敏珊 宫本希 (郑州大学化学工程学院) 摘要：对板翅式换热器平直翅片流道中流体流动与传热的性能进行了数值计算,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 引言 板翅式换热器由于具有体积小、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。板翅式换热器 的结构形式很多,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。它是在 两块隔板中间放一翅片,两边以边缘封条密封而 组成一个基本单元。 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London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〔2〕。为了有效的发挥翅片的作用使其有较高的翅片效率,应该根据使用场合的不同选用不同 结构形式的翅片以满足工业需要。 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。 2 物理模型和数学描写 本文采用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,考察以铝为翅片材料的平直翅片流道中的流 动和传热特性,考虑到计算机内存等性能的限 制,模型长度取150mm。七种模型分别采用6·5 -0·2-1·4-150,6·5-0·3-1·4-150,6·5- 0·5-1·4-150,6·5-0·2-1·7-150,6·5- 0·2-2·0-150,4·7-0·2-1·4-150,9·5- 0·2-1·4-150表示,以模型6·5-0·2-1·4- 150为例,6·5代表平直翅片高度为6·5mm, 0·2代表翅片厚度为0·2mm,1·4代表翅片间距 为1·4mm,150代表流道长度为150mm。 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300K,计算 采用标准层流模型,压力和速度耦合采用SIM- PLE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325K;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。 由于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。为 了提高解的精度和可靠性,首先进行网格独立性 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,对验证计算结果的可靠性具有非 常重要的意义。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,采用网格数量为 364000时完全能够满足现有计算的精度要求。 3 模拟结果与讨论 以6·5-0·2-1·4-150的模型为例,在流 体Re数为500时,模拟流道进口截面、1/3处 截面、2/3处截面、出口截面的温度分布如图2 (a)~(d)所示(略)。 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2(a)~(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分析结果相符。 图4~6为七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。 4 结语 将CFD技术运用到板翅式换热器的设计领域,通过合理简化,建立了七种不同的平直翅片模型,数值模拟分析了不同的翅片高度、厚度和翅片间距对流体平均Nu数和压降的影响,研究 结果对于板翅式换热器的翅片结构选择和设计具有一定的参考意义。 参考文献 〔1〕王松汉编著·板翅式换热器·北京:化学工业出版 社,1984 〔2〕KaysWM,LondonAL.Compactheatexchanger, 3rded.NY:MacGraw-HillBookCompany,1984 〔3〕陶文铨·数值传热学(第2版)·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·济南: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·化工学报,2006, 57(5):1102-1106 张长保 编辑 |
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