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板翅式換熱器數值模擬研究

作者: 2013年07月18日 來源: 瀏覽量:
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板翅式換熱器數值模擬研究 董其伍 王 丹 劉敏珊 宮本希 (鄭州大學化學工程學院,鄭州 450002) 摘 要:采用數值模擬的方法研究了板翅式換熱器的流體流動與傳熱性能,得出了七種不同高度、厚度和翅片間距大小的翅片

板翅式換熱器數值模擬研究
                          董其伍 王 丹 劉敏珊 宮本希
                       (鄭州大學化學工程學院,鄭州 450002)
    摘 要:采用數值模擬的方法研究了板翅式換熱器的流體流動與傳熱性能,得出了七種不同高度、厚度和翅片間距大小的翅片流道中流體平均Nu數和壓力降隨Re數變化的曲線。
    關鍵詞:板翅式換熱器; 平直翅片; 數值模擬
    中圖分類號:TQ051. 5文獻標識碼:A文章編號:1009-3281(2008)02-0025-04
    板翅式換熱器結構形式雖然很多,但其結構單元體基本相同,都是由翅片、隔板、封條和導流片組成的。翅片是板翅式換熱器最基本的元件,翅片與隔板的連接均為完善的釬焊,傳熱過程一部分直接由隔板來完成,另一部分通過翅片來完成,由于翅片不像隔板是直接把熱量傳給冷流體,故翅片有"二次表面"之稱。板翅式換熱器的翅片形式主要有:平直翅片、鋸齒翅片、波紋翅片、百葉窗翅片、多孔翅片和釘狀翅片等[1]。斯坦福大學的Kays和Lon-don[2]等人對56種不同的翅片形狀進行實驗,繪制了翅片的傳熱和阻力曲線圖。板翅式換熱器由于其具有體積小、質量輕、效率高、適應性強等一系列優點,在石油、化工、空氣分離、制冷空調以及航天航空、電子等諸多工業領域得到越來越廣泛的應用。
    由于進行實驗研究具有周期長,耗時費力的缺點,而數值模擬方法具有使用方便、靈活,研究和開發周期相對較短,費用較低、限制較少等優點。因此本文利用數值模擬方法,采用耦合傳熱模型,考察單個平直翅片中不同結構形式的翅片導熱對流道中流體流動換熱的影響。平直翅片結構形式如圖1所示,圖中虛線部分為本文模型的截面部分。
             
    1 理論基礎[3, 4]
    數值模擬方法遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒這三個最基本的物理規律,其理論基礎可以用以下方程式表示。
           
           
    2·物理模型和數學描寫[5]
    本文采用有限元分析軟件FLUENT軟件,以國產的七種不同翅片高度、厚度和翅距的平直翅片為模型進行模擬,考察翅片流道中的流體流動和傳熱特性,模型長度取150mm。本文的模型尺寸分別采用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為例, 6. 5代表平直翅片高度為6. 5 mm, 0.代表翅片厚度為0. 2 mm, 1. 4代表翅片間距為1.mm, 150代表流道長度為150 mm。
    翅片材料選用金屬鋁,流體介質采用穩態不可壓縮的水,假設流體進口溫度為300 K,計算采用標準層流模型,壓力和速度耦合采用SIMPLE算法進行,邊界條件采用速度進口和壓力出口。由于翅片底部和隔板是完善的釬焊,通過導熱方式傳熱,在建模型的過程中將該面畫成一個面, fluent就自認為是一個導熱面,假設該面為恒定壁溫325 K;翅片與介質水對流換熱的面設置為壁面條件wall中的耦合換熱,即couple;模型兩側邊設置為對稱邊界即symmetry。在求解過程中,當連續性方程、動量方程和能量方程中的變量殘差分別達到10-3、10-3和10-6時認為計算收斂。
    3 網格劃分[6]
    在進行數值模擬的過程中,網格劃分部分是最關鍵的工作之一,網格的好壞直接影響著計算速度和計算結果的收斂性。本文的模型結構比較規則所以采用網格質量好、計算速度快、內存占用量少的六面體結構化網格分別對流體和固體部分進行劃分。網格的疏密程度對模型計算結果也有很大的影響。計算之前首先對網格進行獨立性測算,采用不同的網格密度重復同樣的計算,比較所得的結果,當模型進一步細化網格,在工程允許的偏差范圍內數值解已幾乎不再發生變化,即認為此解為網格獨立的解。以模型6. 5-0. 2-1. 4-150為例,在對計算網格加密以后,重新分析計算結果,通過比較結果發現,網格數量為36萬左右時能夠滿足計算的精度要求。
    4 邊界條件設置[7]
    本文模擬的固體部分翅片材料選用金屬鋁,流體介質采用穩態不可壓縮的水,計算采用標準層流模型,壓力和速度耦合采用SIMPLE算法,邊界條件采用速度進口和壓力出口,假設流體進口溫度為300 K。由于翅片底部和隔板是完善的釬焊,通過導熱方式傳熱,在建模型的過程中將該面畫成一個面,fluent就自認為是一個導熱面,假設該面為恒定壁溫325 K;翅片與介質水對流換熱的面設置為壁面條件wall中的耦合換熱,即couple;模型兩側邊設置為對稱邊界即symmetry。在求解過程中,當連續性方程、動量方程和能量方程中的變量殘差分別達到10-3、10-3和10-6時認為計算收斂。
    5 分析與討論
    以6. 5-0. 2-1. 4-150的模型為例,在流體Re數為500時,流道進口截面、1/3處截面、2/3處截面、出口截面的溫度分布如圖2a~d所示。
                
    以加熱流體為例理論分析如下,假設通過隔板直接傳給流體的熱量為Q1,通過翅片導熱傳給流體的熱量為Q2,則二次傳熱面的傳熱過程是沿著翅片的高度方向進行的,這時一方面通過熱傳導不斷導入熱量,另一方面通過翅片表面和流體的對流換熱把熱量傳給冷流體。熱量傳遞過程如圖3所示。
                
    由于沿流體方向的翅片長度大大超過翅片的厚度,所以翅片的導熱可以看作一維導熱,翅片兩端的溫度最高等于隔板溫度tg,隨著翅片和流體的對流換熱,溫度不斷降低,在翅片中部趨于流體溫度tf。由圖2a~d可以明顯看出,翅片中的溫度分布沿翅片高度方向逐漸向中間降低,相對于翅片中線大致成對稱分布。為此,說明此模擬結果與理論結果相符。圖4~圖6為7種規格的翅片中的流體平均Nu數和壓力降隨Re數變化的曲線圖,由圖可見翅片高度、厚度、翅距的變化對流體的平均Nu數和壓降有重要影響。相同Re數下,翅片越厚流體的平均Nu數越小,而壓降越大;相同Re數下,翅片越高流體的平均Nu數越小,壓降也越小;相同Re數下,翅距越小流體的平均Nu數越小,而壓降越大。

    6 結 論
    本文運用CFD軟件,通過合理簡化,建立了板翅式換熱器平直翅片的耦合傳熱模型,得出了板翅式換熱器在不同的翅片高度、厚度和翅片間距條件下平均Nu數和壓力降隨Re數的變化曲線,為板翅式換熱器的設計選型提供一種簡便有效的方法。
參考文獻
[1]王松漢編著.板翅式換熱器[M].北京:化學工業出版社,1984.
[2]KaysW M, London A L. Compact heat exchanger, 3rd ed. 
NY:MacGraw-HillBook  Company, 1984.
[3]陶文銓.數值傳熱學(第2版)[M].西安:西安交通大學出版社, 2001.
[4]李海鳳.板翅換熱器傾斜波紋翅片傳熱與流動特性研究[D].山東:山東大學(碩士學位論文), 2006.
[5]祝銀海,厲彥忠.板翅式換熱器翅片通道中流體流動與傳熱的計算流體力學模擬[J].化工學報, 2006, 57(5): 1102-1106.
[6]FLUENT Inc.GAMBITModelingGuide. FLUENT Inc., 2003.
[7]FLUENT Inc. FLUENTUsers’ Guide. FLUENT Inc., 2003.

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