双波纹板束逆流传热与流动的数值模拟和实验研究.pdf

化 工 进 展 2 0 1 4年第 3 3 卷 第 6期 C H E MI C AL I ND US T R YA ND E NG I NE E R I NG P R OG R E S S 1 4 1 9 双波纹板束逆流传热与流动的数值模拟和实验研究 朱康辉 张锁龙 常州 I 大学机械工程学院 江苏 常州 2 1 3 0 1 6 常州市过程装备工程技术中心 江苏 常州 2 1 3 0 1 6 摘要 利用 F l u e n t 软件对一种全焊式双波纹板式换热器的板束传热与流动性能进行数值模拟 运用场协同原理 进行强化传热机理分析的同时对双波纹板式换热器进行传热实验 验证数值模拟和理论分析的合理性 结果表 明 双波纹结构使得流体在流道形成湍流 减薄板片的层流边界层并且改善了主流区域的速度与温度梯度的协 同程度 强化传热 双波纹板束本身的传热系数受到板束热侧入 口尺寸的影响 并且在固定尺寸上达到峰值 增大冷热流体入 口速度可以提升板束的传热能力 同时也受到压降增大的影响 关键词 传 热 板 式换 热器 双波纹 数值模拟 场协 同原 理 实验 验证 中图分类号 T K 1 7 2 T B 6 5 7 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 4 0 6 1 4 1 9 0 6 D0I 1 0 3 9 6 9 is s n 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 4 0 6 0 l 1 Num e r ica l s imul a t io n a nd e x pe r ime n t o n e fficie ncy a nd flo w o f co un t e r d o ubl e c o r r ug a t e d pl a t e s Z H U Kan gh ui ZHANG S uo l o n g S ch o o l o f Me ch a n i ca l E n g in e e r i n g Ch a n g z h o u Un iv e r s i t y Ch a n g z h o u 21 3 0 1 6 J i a n g s u Ch i n a Ch a n g z h o u P r o ce s s Eq u i p me n t E n g in e e r i n g T e ch n o l o g y Ce n t e r C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 6 J ia n g s u C h i n a Ab s t r a ct Us i ng t h e s of t wa r e Fl ue n t n ume r ica l s imul a t io n wa s pe r f or me d f o r he a t t r a ns f e r of d o u bl e co r r u g a t e d p l a t e s o f h e a t e x ch a n g e r d e v e l o p e d for g a s h e a t e x ch a n g e Nu me r ica l s imu l a t io n wa s co mp a r e d wit h t h e e x p e r ime n t a l r e s u l t s a n d a n a l y z e d wi t h t h e fi e l d s y n e r g y p r in ci p l e F l u i d fl o ws t u r b u l e n t b e ca u s e o f d o u b l e co r r u g a t e s p l a t e s T h e d o u b l e co r r u g a t e d p l a t e s t h i n n e d l a mi n a r b o u n d a r y l a y e r a n d imp r o v e d s y n e r g y o f t h e v e l o ci t y a n d t e mp e r a t u r e fi e l d t o e n h a n ce h e a t t r a n s f e r T h e e fficie n cy o f d o ub l e co r r ug a t e d pl a t e s wa s i nflue nce d b y t h e s iz e o f e n t r a nce in h o t s id e a n d m ig h t r e a ch a p e a k a t a s p e cifi c s iz e I n cr e a s in g v e l o cit ie s o f b o t h co l d a n d h o t fl o ws co u l d e n h a n ce e ffi cie n cy b ut h ig h e r p r e s s u r e d r o p mig ht ha ve a n e ga t iv e e ffe ct Ke y wo r ds h e a t t r a ns f e r pl a t e s he a t e x ch a n ge r do u b l e co r r ug a t e d n u m e r ica l s i m u l a t io n fi e l d s y ne r g y pr i ncipl e e x pe r ime n t a l va l id a t i o n 板式换热器是一种高效紧凑型的热交换设备 由于其传热效率高 压降低 体积小 质量轻 污 垢系数低 拆卸方便 板片品种多等优点被广泛应 用于各行各业 1 J 文献 2 研 究了一种在水平波 的基 础上叠加垂直波 对错流流动的冷热流体产生扰动 在低流速状态下达到湍流的新型板式换热器 考虑 在其余条件相同的情况下 相 比错流布置 在逆流 布置时冷 热流体具有更大的平均温差 可 以进行 更大的热量交换 提高传热效率 本文研究的是一 种逆流布置的双波纹板式换热器 利用数值分析与 实验研究相结合的方法 以场协同理论为指导 对 双波纹板式换热器流道中的流场与温度梯度场的协 同关系进行了分析 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 3 1 修改稿 日期 2 0 1 3 1 2 0 2 第一作者 朱康辉 1 9 9 0 一 男 硕士研宄生 研究方向为强化传 热 E ma i l 7 3 9 0 9 2 5 7 5 q q co m 联系 人 张锁 龙 教授 E m a i l z h a n g s u o l o n g C C Z U e d u cn 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 6期 朱康辉等 双波纹板束逆 流传 热与流动 的数值模拟和 实验研 究 是局部错流 整体逆流的对流方式 本文作者认为 在板束的中央区域为充分逆流区域 在板束两端的 过渡 区域 冷热流体的对 流方 式介 于逆流和错流 之 间 在其他工作参数固定时 冷热流体的逆流布置 可以比错流布置获得更高的传热效率 随着热入 口 长度增加 流道内的错流到逆流的过渡区域范围也 逐渐增加 即冷热流体的充分逆流区域逐渐减小 对耦合换热面的传热系数有负面削弱 该削弱作用 与热流体流量增加 的加 强作用共 同影 响耦合换热 面的换热性能 在热流体入 口长度增加到一定时 耦合换热面的传热系数达到峰值 继续增加热入 口长度 耦合面传热系数开始逐渐下降 从图 2中 可以确定最佳尺寸为 3 0 0 mm 近似等于板片的宽度 2 2 不同冷热流体入 口速度对换热性能与流动性 能的影响规律 为了研究冷热流体不同的入 口速度对板束换热 性能与流动性能的影响规律 对最佳尺寸 的模型进 行两组模拟 第一组固定热流体入 口速度 8 m s 改变冷流体的入口速度 第二组固定冷流体入 口速 度 8 m s 改变热流体的入 口速度 得出模型中耦 合换热面的传热系数与流体流经流道后的压降 模 拟结果如图 3 图 4所示 模拟结果说明提升热侧入 口速度和冷侧入 口速 度都可以提升换热面的传热系数 从相同的工作参 数开始 分别增大冷入 口速度和热入 口速度 传热 系数从同一位置开始升高 但是升高的趋势略有差 异 说明热流体速度 的变化对传热系数的影响要略 大于冷流体 流体的压降变化只出现在流体本身入 口速度变化的条件下 保持入 口速度不变时 该流 体的压降也不发生变化 并不受另一侧流体 的影响 由于热侧流道存在的 拐弯 现象 热流体的压 降 也明显大于冷流体 图 3 传热系数与不同流体入 口速度 的关系 图 4 压力降与不同流体速度 的关系 对比图 3和图 4 随着入 口速度的增大 雷诺 数也不断增大 换热强度 明显提升 但是对应流体 的压降呈现指数增加 流速越高 流道 内流阻的影 响就越明显 当速度增大到一定程度时 压力降达 到非常高的数值 传热系数将停止增长 因此在实 际工程应用 中 经常选用 1 2 1 5 r r d s 作为流体的入 口速度 为了方便观察流道内流体的流态 流场与温度 场 的变化趋势 取冷流体为 8 m s 3 0 0 K 和热流体 为 1 0 r r d s 3 3 0 K 的模拟结果进行可视化处理 在 F l u e n t软件 自带后处理 中创建 X 1 3 5 mm 截面 Z 2 7 0 mm截面 Z 4 0 0 mm截面 Z 5 6 2 5 mm截面 Z 7 2 5 mm 截面 Z 8 5 5 mm 截面 其中 X 1 3 5 mm 截面为沿 轴方向 板片宽度宽度 的中心截面 垂直于 z轴方 向 板片长度方 向 的 5个截面 以中 间截面相互对称 通过不 同位置截面上的变化来反 应模型内部的换热状况 如图 5 图 6所示 从图 5中可 以看出 模型中流体 的流动受换热 面双波纹结构的影响较大 特别在波纹结构的对顶 位置流线密集 流场变化很大 整体处于湍流状态 波纹结构不断改变流体的流动方向 也是造成冷热 流 体流过换 热流道 后产 生较高压 降的一个重要 原 因 图 6 所示为各个截面的温度云图 流道 内部的 温度场变化主要集中在换热面的近壁面处 结合近 壁面处的流场变化 可以通过场协同原理对双波纹 板片强化传热机理进行分析 2 3 基于场协 同原理的板 片传热分析 换热器性能的提高通常有两种方式 j 第一种 方式是提高换热面与流体之间的表面传热系数 当 然 也可以在场协同理论的指导下提高表面传热系 数 第二个层次是通过改变流体 的对流方式来改变 换热性能 或者说在表面传热系数或总的传热系数 一 定的条件下 通过改善换热器 中进行热交换的热 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 6期 朱康辉等 双波纹板束逆流传热与流动的数值模拟和实验研究 1 4 2 3 表 1 换热器结构参数 板片参数 尺寸 mm 波纹参数 尺寸 mm 板片宽度 2 8 8 波幅 1 5 板片长度 1 1 6 0 周期 4 5 板片厚度 O 8 板片波纹区域宽度 2 4 7 5 板间距 l 5 板片波纹区域长度 1 0 8 0 热器 由 2 O片双波纹板片对顶焊接的板束焊上换热 器外壳后制成 换热器结构参数如表 1 所示 材料 为 3 0 4不锈钢 冷空气为常温空气由鼓风机直接鼓 人冷流体通道 热空气经鼓风机鼓出 在入 口处设 置 3根电阻丝加热后 垂直于冷流体入 口方向进入 热流道 分别经过两端过渡区域后进行逆流换热 3 2 实验过程 本实验中的主要测量对象为改变热 冷 流体 入 口状态时冷 热 流体出口的速度和温度及流体 的压力降 a 保持冷侧风阀的位置不变 系统运行稳定后 开始调节热侧风 阀 改变热侧风速 待系统运行稳 定 使用数字风速仪和点温仪按图 8 所示测量换热 器冷热流体不同流道进 出口的速度和温度 再使用 压差计读出冷热流体流经不 同流道的压降 求平均 值得到测量结果 b 调节并保持热侧风 阀的位置不变 待稳定后 重复调节冷侧风阀进行实验 系统稳定后重复 a组 的数据测量流程 3 3 实验结果 对 a b两组实验的工况进行数值模拟 并对模 拟结果与实验结果进行数据处理 表 2 表 3 模 拟结果的传热系数和压 降都 比实验结果大 1 0 左 右 二者的变化趋势也一致 说明双波纹板式换热 器的数值模拟基本合理 3 4 误差分析 分析表 2 表 3 产生误差 的主要原因可能有 以 下几点 1 实物制作时的误差 由于板片的波纹通 过压制得到 在板片四周存在没有