波紋板式換熱器的數(shù)值模擬
                         藍(lán)少健1,朱冬生1,鐘家淞2,趙　強(qiáng)1
    (1.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院傳熱強(qiáng)化與節(jié)能教育部重點實驗室,廣東廣州　510640;2.廣東萬和集團(tuán),廣東佛山　528305)
    摘要:以波紋板式換熱器作為研究對象,通過流體力學(xué)(CFD)軟件,對波紋板內(nèi)、外流體流動進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。板內(nèi)流體流動研究表明,流體在板內(nèi)流動時存在流動死區(qū),在這些區(qū)域里傳熱效果很差,導(dǎo)致板壁面出現(xiàn)熱點。板間煙氣流動研究表明,板片的凹凸波紋結(jié)構(gòu),起到了強(qiáng)化煙氣側(cè)傳熱的作用,其中凸波紋的作用要明顯優(yōu)于凹波紋,同時波紋板片式換熱器的凹波紋區(qū)域存在一定的煙氣脫體現(xiàn)象。該數(shù)值模擬研究結(jié)果對提高波紋板式燃?xì)鉄崴鞯膿Q熱效率有一定的指導(dǎo)意義。
    關(guān)鍵詞:波紋板;傳熱;數(shù)值模擬
    中圖分類號:TQ 051. 5　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A　　　文章編號:1005-9954(2010)08-0018-04
    在燃?xì)鉄崴髦?普遍采用的是銅翅片管換熱器作為煙氣-水換熱器。雖然翅片管換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)大的優(yōu)點,但由于翅片側(cè)的流動阻力大,對傳熱性能有很大影響,而且在其制造加工方面也存在成本和難度高等問題[1-3]。本文采用新型的波紋板式換熱器對熱水器進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造,以期進(jìn)一步提高設(shè)備效率,提高燃?xì)鉄崴鞯木C合性能。波紋板式換熱器是一種具有典型原表面結(jié)構(gòu)的全焊接板式換熱器[4-5],其結(jié)構(gòu)特點非常適合用做燃?xì)鉄崴鞯臒煔?水換熱系統(tǒng)。基于其擴(kuò)展表面發(fā)達(dá)、傳熱系數(shù)高、成本低(不銹鋼材料)、不存在接觸熱阻等優(yōu)點,對研究其在熱水器上的傳熱性能意義重大。利用FLUENT商業(yè)軟件,建立了燃?xì)鉄崴髦饕獡Q熱元件———波紋板式換熱器板內(nèi)外流體流動的計算模型,并利用該模型分析波紋板式換熱器的傳熱與流動性能。
    1·物理模型
    1.1　板內(nèi)流體流動的物理模型
     本文研究的板型為直流道交錯流波紋板。在合理簡化實物模型的基礎(chǔ)上,建立了波紋板內(nèi)流體流動的三維物理模型,如圖1所示。
            
    1.2　板間煙氣流動的物理模型
    由圖1可知,在沿著流體流動方向上,波紋板的凹凸結(jié)構(gòu)呈周期性變化,因此,板間的空隙結(jié)構(gòu)也是呈周期性變化的。本文選取2個具有代表性的截面(垂直于板內(nèi)水流方向),即凸紋截面和凹紋截面,對板間煙氣的流動和傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在對實物模型進(jìn)行合理簡化的基礎(chǔ)上,建立了高溫?zé)煔庠诎彘g流動的二維物理模型,如圖2所示。
            
    2·數(shù)學(xué)模型
    2.1　板內(nèi)流體流動數(shù)學(xué)模型
    本文結(jié)合波紋板內(nèi)的流動和換熱特點,對流經(jīng)換熱板片通道內(nèi)的流體進(jìn)行如下假設(shè):①流體為不可壓縮流體即牛頓流體;②忽略流體流動時的黏性耗散作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng);③忽略流體重力的影響,并且假定流體的物性不隨溫度變化;④流體進(jìn)口速度假設(shè)為已知,進(jìn)口壓力及出口速度為自由邊界條件。流體控制方程可參考有關(guān)計算流體力學(xué)或傳熱學(xué)教科書。
    2.2　板間煙氣流動數(shù)學(xué)模型
    板間煙氣必須滿足基本控制方程,另外,由于煙氣的流動路徑復(fù)雜,雖然煙氣通道很薄,但由于流動在進(jìn)入波紋板式換熱器前充分發(fā)展,因此,流動為湍流,應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,保持模型中的各參數(shù)值不變。
    3·邊界條件
    3.1　板內(nèi)流體流動邊界條件處理
    入口邊界條件:入口流速0. 6 m/s,模擬中板的進(jìn)水溫度設(shè)定為297 K(以上各條件是熱水器在額定工況下的參數(shù))。從入口邊界測量的數(shù)據(jù)估算出湍流強(qiáng)度為5%和水力直徑為11. 6 mm來描述湍流量[6]。出口邊界條件:當(dāng)模擬介質(zhì)流動出現(xiàn)回流的時候,使用壓力出口邊界條件代替質(zhì)量出口條件常常有更好的收斂速度[7]。因而出口邊界條件采用壓力出口條件,設(shè)定為100 kPa的表面壓力,此時出口處的流體速度和溫度為自由邊界條件。壁面條件:壁面邊界條件用于限制流體和固體區(qū)域。默認(rèn)情況下壁面厚度為0,在解能量方程時,需要在壁面邊界處定義熱邊界條件。本文中設(shè)定壁面為恒熱流密度邊界。
    3.2　板間煙氣流動邊界條件處理   入口邊界條件:煙氣入口溫度900 K,入口速度為2. 2 m/s(以上各條件是熱水器在額定工況下的參數(shù))。出口邊界條件采用壓力出口條件,設(shè)定為100 kPa的表面壓力。水側(cè)處理為熱流邊界,即設(shè)置熱流為一定值的熱源。
    4·計算結(jié)果及討論
    4.1　板內(nèi)流體的模擬結(jié)果和分析
    圖3與圖4分別是板內(nèi)流體速度分布矢量圖與壓力場分布圖。從圖中可以看出,在板入口處水流分布比較均勻,當(dāng)進(jìn)入波紋區(qū)后速度的方向和大小開始隨波紋的變化而改變。在凸紋處,由于空間的突然增大水流速有所下降,但流動方向的改變也增大了沿壁面方向的速度分量,有效地減小了協(xié)同角起到強(qiáng)化傳熱的作用;在凹紋處,由于流通截面變窄水流速有明顯的增加(速度高于入口處)。在靠近板的上邊沿和下邊沿處,由于沒有波紋結(jié)構(gòu)流動阻力較小,因此水的流速很高,這也保證了無波紋區(qū)域的換熱效果。同時,還注意到,沿水流方向上二凹紋之間存在一個低流速區(qū)域,這個區(qū)域里水流速度很低,而且存在旋渦,這部分水流速低、更新慢是板內(nèi)換熱較差的區(qū)域。
             
    圖5是板內(nèi)流體流動時溫度場的分布情況。從圖5可以看出,板表面的溫度分布比較均勻,保持在343—353K之間。在二凹紋之間的區(qū)域存在一些溫度較高的熱點,這是由于在二凹紋間流體的流速低、更新慢,是傳熱較差的區(qū)域,因此這個區(qū)域的板表面溫度要略高于其他區(qū)域。相反,在凸紋區(qū)域和流速較高的板上下兩端,由于傳熱效果好其溫度要略低于板主體區(qū)域。
             
    由于本文所用波紋板束換熱器實物共有3組板管,這里對板內(nèi)的流動和傳熱過程再進(jìn)行2次相同的模擬,以前次的流體出口溫度作為下次的入口溫度,其他條件不變,最終的模擬結(jié)果見圖6。從圖中可以看出,流體經(jīng)3束板換熱后,出口溫度可以達(dá)到323 K左右,這樣,換熱器整體的溫升可以達(dá)到28K,這個溫升已經(jīng)達(dá)到國標(biāo)[8]中關(guān)于熱水器在額定工況下的工作能力。
            
    4.2　板間煙氣的模擬結(jié)果和分析
    對煙氣在板管間的流動模擬結(jié)果如圖7—8所示,圖9則為板管間的壓力分布結(jié)果。
             
    煙氣在剛進(jìn)入板片間通道時,速度均勻分布。進(jìn)入波紋區(qū)域后,由于凸紋截面和凹紋截面的結(jié)構(gòu)特點存在明顯差異,速度分布各有特點。對于凸紋截面,當(dāng)煙氣遇到第1排波紋時,迎風(fēng)部分從駐點開始流速逐漸增大,靜壓下降,從而形成順壓梯度,邊界層流動能保持穩(wěn)定,煙氣貼板壁面流動。煙氣繞過板壁到達(dá)背風(fēng)面時,流動截面逐漸變大,流速變慢,靜壓逐漸增大,因此,產(chǎn)生逆壓梯度,并且逆壓梯度逐漸增大。在黏性的阻力作用下,貼近壁面的質(zhì)點速度很低,動能較小,無法克服逐漸增加的逆壓差,即邊界層內(nèi)的流體維持不了向前的流動,而是在固體壁面和外勢流之間堆積起來,回流區(qū)沿外方向不斷向外擴(kuò)展,外勢流愈來愈被推離板表面,從而形成了邊界層的分離。從圖7可以看出,在二凸紋之間的凹陷區(qū)域,出現(xiàn)輕微的煙氣脫體現(xiàn)象。流過第1排凸紋的煙氣受到第2排凸紋的影響,在第2排凸紋的迎風(fēng)面貼體流動,速度開始增大,截面最窄處達(dá)到速度最大值,繞過板壁到達(dá)第2個背風(fēng)面,重復(fù)之前出現(xiàn)的脫體現(xiàn)象。
    凹紋截面波紋結(jié)構(gòu)比較簡單,煙氣的通道平直且較凸紋截面寬。煙氣速度在該截面分布較為均勻,板管間速度約為4 m/s,板管與外壁間速度約為2. 8 m/s。在煙氣流經(jīng)該截面的凹紋區(qū)域時,也出現(xiàn)了類似于凸紋截面的煙氣脫體現(xiàn)象,其原因類似于前者。對比圖9中的2幅云圖可以發(fā)現(xiàn),凹紋截面的脫體現(xiàn)象比較明顯。
    4.3　傳熱特性分析
    圖10是煙氣繞流板片的溫度場分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn),對于凸紋截面,當(dāng)煙氣繞流過第1排波紋后,溫度降至750 K左右,經(jīng)過第2排波紋后溫度降到640 K,當(dāng)經(jīng)過第3排波紋到達(dá)出口處時,溫度已接近500 K,在板管上方的區(qū)域由于煙氣與水換熱的緣故,溫度進(jìn)一步降低到430—450 K。對于凹紋截面,換熱性能要相對差一些,板管間的煙氣出口溫度達(dá)到了550 K以上。造成這種現(xiàn)象的原因如下:凸紋截面板管間的結(jié)構(gòu)類似于波紋管,呈縮放狀,煙氣在這樣的通道中流動時會形成許多小的局部旋流,這增大了沿溫度梯度方向的速度分量,減小了速度場與溫度場的協(xié)同角,有效地強(qiáng)化了煙氣的傳熱。而凹紋截面板管間的結(jié)構(gòu)比較平直,煙氣流過這樣的通道時中心到板壁面的溫度梯度比較大,換熱效果差。
             
    5·結(jié)論
    在合理簡化的基礎(chǔ)上,建立了波紋板板內(nèi)流體流動和傳熱的三維模型,從溫度場、壓力場、速度場3個方面分析了板內(nèi)的流動和傳熱情況。模擬分析的結(jié)果表明:流體在板內(nèi)流動時存在流動死區(qū),在這些區(qū)域里傳熱效果很差,導(dǎo)致板壁面出現(xiàn)溫度熱點。對于整體換熱效果從模擬中難以體現(xiàn),需要結(jié)合實驗手段,進(jìn)行實際測試方能確定。
    同時建立了板外煙氣流動和傳熱的二維模型,對板間的流動特性和煙氣的換熱特性進(jìn)行了模擬分析。板間煙氣流動和傳熱模擬表明:板束的凹凸波紋結(jié)構(gòu),起到了強(qiáng)化煙氣側(cè)傳熱的作用,其中凸波紋的作用要明顯優(yōu)于凹波紋,同時發(fā)現(xiàn)波紋板束換熱器的凹紋區(qū)域存在一定的煙氣脫體現(xiàn)象。
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