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哈雷釬焊板式換熱器
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CFD技術在板翅式換熱器設計開發中的應用

點擊:1765 日期:[ 2014-04-26 21:08:03 ]
                      CFD技術在板翅式換熱器設計開發中的應用                               周寒秋1,潘 慈2,李劍鋒3     (1、2·杭州杭氧股份有限公司石化工程公司,浙江省杭州市東新路388號 310004;3·杭州杭氧股份有限公司設計院,浙江省杭州市東新路388號 310004)     摘要:介紹CFD軟件的應用領域及特點,闡述CFD技術在板翅式換熱器設計中進行數值模擬的理論基礎、傳熱與流動分析,指出CFD技術在板翅式換熱器設計開發中的研究發展狀況。同時,總結了對流體流動進行CFD技術數值模擬的一般步驟,并提出了CFD技術在板翅式換熱器優化設計及開發方面的前景與方向。     關鍵詞:板翅式換熱器; CFD技術;數值模擬;設計開發     中圖分類號:TK124   文獻標識碼:B     板翅式換熱器具有傳熱效率高、溫度控制性好、結構緊湊輕巧、適應性強等一系列優點,尤其適合兩側換熱系數相差比較大及流道布置復雜的場合[1]。因此,板翅式換熱器在空氣分離系統中得到了廣泛的應用與發展。但是,由于板翅式換熱器存在流道易堵塞和易被腐蝕等缺點,要進一步提高傳熱效率等性能還需要與其他輔助技術結合,其中計算流體力學(CFD)技術對板翅式換熱器的發展與進步作出了巨大貢獻。美國斯坦福大學的Kay和London[2]曾對緊湊式換熱器表面進行了較系統的實驗研究,提供了40多種翅片形狀的板翅式翅片的傳熱與阻力曲線圖。但是由于板翅式換熱器內的流體流動與傳熱規律十分復雜,僅靠實驗測試并不能最終達到開發新產品和精確設計的目的。CFD技術可以比較快捷、準確、直觀地反映出流體在換熱器中的流動過程,如速度場、溫度場或濃度場的分布,其技術方法的應用與發展使得許多流體和傳熱工程的實際問題不再局限于漫長而復雜的實驗研究。     1 CFD技術的發展及其軟件     CFD (Computational Fluid Dynamics,即計算流體力學)是目前研究傳熱、傳質、動量傳遞及燃燒、多相流和化學反應等方向的重要研究工具[3、4]。由于數值模擬相對于實驗研究具有獨特的優點,比如成本低、能使設計思想迅速可視化、能獲得完整的數據、能模擬較復雜或較理想的過程、能模擬出實際運行過程中各種所測數據狀態,對于設計、改造等商業或實驗室應用起到重要的指導作用,故而CFD技術得到了越來越多的應用[5、6]。     近年來,國內外重點加強了設計制造方法學的研究,提出通過計算流體動力學(CFD)模擬計算,來評價、選擇和優化設計方案,從而大幅度減少實驗室和實體試驗研究工作量。     采用CFD方法對流體流動進行數值模擬,通常包括以下步驟[7~10]:     (1)建立反映工程問題或物理問題本質的數學模型,各種CFD通用軟件的數學模型的組成都是以納維—斯托克斯方程組與各種湍流模型為主體,再加上多相流模型、燃燒與化學反應流模型、自由面流模型以及非牛頓流體模型等,大多數附加的模型是在主體方程組上補充一些附加源項、附加運算方程與關系式。     (2)建立針對控制方程的數值離散方法及求解方法,離散方法如有限差分法、有限元法、有限體積法等。大部分CFD通用軟件采用有限體積法,目前已發展了多種收斂性好、精度高的離散格式。(3)編制程序和進行計算,這部分包括網格劃分、初始條件和邊界條件的輸入、控制參數的設定等。     (4)顯示計算結果,進行后處理。     CFD軟件的一般結構由前處理、求解器、后處理3部分組成。20世紀80年代初, CHAM公司在Spalding與Patankar提出的SIMPLE算法(半隱式壓力校正解法)的基礎上,推出了計算流體力學與傳熱學的商業化軟件PHOENICS的早期版本,這是CFD通用軟件包的雛形。隨后,新的通用軟件,如Fluent、Star-CD與CFX等也相繼問世,這些軟件十分重視商業化的要求,在前、后處理,人機對話等方面下大功夫。Fluent、Star-CD與CFX堪稱目前CFD主流商業軟件, Fluent (包括其多種專用版本)的市場占有率達40%,顯然是應用面最廣、影響最大的CFD軟件; Star-CD在汽車工業中廣泛用于內燃機計算;而CFX則在葉輪機、核能工程等領域廣泛使用。至今,全世界已有至少50余種這樣的流動與傳熱問題的商業軟件,在促進CFD技術應用于工業實際中起了很大的作用。     到目前為止,應用CFD技術研究板翅式換熱器還少有人問津,但筆者認為,應用CFD技術分析揭示板翅式換熱器傳熱機理和進行優化設計將是今后研究的重點,考慮到我國板翅式換熱器開發和實驗經費還相對缺乏的具體情況,許多實驗因費用昂貴而無力繼續進行,而CFD技術方法具有成本低和能模擬較復雜的過程等優點,其技術的應用研究就更加具有特別的重要意義。     2 CFD技術在板翅式換熱器中的應用     2·1 傳熱與流動CFD數值模擬的理論基礎     在流體力學中,描述流體運動的基本方法有拉格朗日法和歐拉法。拉格朗日法是研究流場內個別流體質點在不同時刻其位置、流速、壓力的變化,也就是用不同質點的運動參量隨時間的變化來描述流體的運動。因此,拉格朗日法是追蹤個別質點的描述方法,用它可以研究流體運動的軌跡和軌跡上各流動參量的變化。歐拉法是研究整個流場內不同位置上的流體質點的流動參量隨時間的變化,也就是用同一瞬時的全部流體質點的流動參量來描述流體的運動。在工程實際上,較多的是研究整個流場的特性,因此采用歐拉法比較方便。     換熱器內的流體定義為不可壓縮的牛頓型流體。一般黏性流體流動均遵循質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律,在三維正交笛卡兒坐標系下,其理論基礎可以滿足以下基本控制方程[11]:                                   式中,u、v、w為x、y、z方向的速度分量;p為壓力;ρ為流體密度;μ為流體黏度; T為溫度; t為時間;λ為導熱系數; cp為定壓比熱容。固體區域內不存在動量的控制微分方程,能量微分方程(5)對固體區域仍然是適用的,只是固體區域內能量方程中包含速度項均為零。對翅片內導熱和流體間相互耦合的傳熱問題,利用控制容積有限元法進行整體耦合數值求解。當換熱器內流體處于湍流狀態時,還應加上湍流模型方程。     2·2 傳熱與流動分析     從傳熱機理上看,板翅式換熱器仍屬于間壁式換熱器。其主要特點是具有擴展的二次傳熱表面(翅片)。所以傳熱過程不僅是在一次傳熱表面(隔板)上進行,而且同時也在二次傳熱表面上進行。高溫側介質的熱量除了由一次表面(隔板)導入低溫側介質外,還沿翅片表面高度方向傳遞部分熱量,再將這些熱量對流傳遞給低溫側介質。由于翅片高度大大超過了翅片厚度,因此沿翅片高度方向的導熱類似于均質細長導桿的導熱,此時翅片的熱阻就不能被忽略。翅片表面傳熱機理如圖1所示。                        通過一次傳熱面的熱量用Q1表示,通過二次傳熱面的熱量用Q2表示。翅片兩端的溫度最高等于隔板表面溫度tw,隨著翅片和介質的對流放熱,溫度不斷降低,直至在翅片中部趨于流體溫度tf。     傳熱計算中,當板翅式換熱器內流體分配不均勻時會引起性能的顯著下降。數值計算認為可導致逆流換熱器的整體效能下降7%,而對錯流式換熱器效能的影響高達25%[12]。簡單的封頭分配不均勻性分析可通過解析方法完成,復雜的只有通過數值計算方法來分析傳熱過程。對通道間物流分配不均勻的情況, London采用單通道模型對低雷諾數層流狀態下的情況進行了理論分析,后來又將該理論分析推廣于多通道模型分析[13]。Weimer等就不均勻流體分配對多股流、多通道換熱器性能影響進行了研究。對于兩相流問題,不均勻分配問題顯得尤為突出[14~16],物流的不均勻分配使得板翅式換熱器嚴重偏離設計工況。現在的研究,較多是定性的,離設計應用仍有很大距離,主要靠擴大設計安全系數來彌補換熱器效能的下降,增大換熱面積意味著生產、運行成本的增加,造成了資源的浪費,因此物流不均勻性問題仍是中外學者研究的一個重要方向。     2·3 板翅式換熱器的主要CFD數值模擬研究由于板翅式換熱器結構的復雜性,以CFD為工具研究板翅式換熱器的人還比較少。目前,板翅式換熱器的CFD模擬研究主要集中在:     (1)如何從結構上保證流體均布;     (2)翅片傳熱及阻力特性的模擬。     Carluccio[17]建立了鋸齒翅片的三維數值模型,來預測鋸齒翅片在緊湊式換熱器中的傳熱和壓降特性,數值模擬結果與經驗公式吻合很好。張站、侯海焱等人[18、19]采用二維數值模擬方法研究了鋸齒翅片緊湊式換熱器表面特性。祝銀海等[20]利用CFD軟件對平直翅片和鋸齒翅片通道進行了數值模擬,比較了兩種翅片中流體的邊界層和局部傳熱系數,從微觀角度分析鋸齒翅片高換熱效率的根本原因。李媛等[21]則利用CFD軟件對不同結構參數的平直翅片、波紋翅片和鋸齒翅片通道進行了三維數值模擬,分析了平直翅片的翅片高度和翅片間距、鋸齒翅片的切開長度、波紋翅片的波幅與波距對翅片表面流動與傳熱性能的影響。其研究結果與實驗得出的結論是一致的,用CFD技術進行數值模擬研究是可行的。結果分析出了平直翅片的高度對其傳熱性能有直接影響,翅片間距越大,傳熱效果越好;鋸齒翅片的切開長度越短,傳熱性能越好;波紋翅片的波幅越大、翅片間距越大,其傳熱效果越好。孫志江[22]對低雷諾數下平直翅片和鋸齒翅片表面性能進行試驗研究,并建立翅片的CFD模型進行數值模擬,對模擬得到的速度場、溫度場和局部傳熱特性進行了分析,并對試驗研究和數值模擬得到的翅片表面性能曲線進行比較。結果表明:模擬結果和試驗數據的最大誤差不超過20%,建立的翅片CFD模型可以用來預測翅片的表面性能。董其伍[23]等人利用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,研究了板翅式換熱器的流體流動與傳熱性能,得出了7種不同高度、厚度和翅片間距大小的翅片流道中流體平均努謝而數和壓力降隨雷諾數變化的曲線,為板翅式換熱器的設計選型提供了一種簡便有效的方法。     3 板翅式換熱器CFD技術的發展方向     CFD技術在板翅式換熱器的研究和發展中起到了重要的作用。通過對板翅式換熱器的CFD技術數值模擬,能夠完成板翅式換熱器實驗研究無法實現的流場分析與研究,對板翅式換熱器的優化設計具有巨大的指導意義。     CFD技術在板翅式換熱器的優化設計應用方面的研究還有大量工作要做,主要表現在以下幾個方面:     (1)建立模擬流動和傳熱的數值模型,研究翅片流動和傳熱的本質,預測新型表面的傳熱、阻力系數及其關系,建立j因子和f因子數據庫。     (2)物性變化的影響和如何從結構上保證流體均布的問題也是板翅式換熱器CFD研究的重要方向。     (3)相對于單相流的傳熱及流動,伴有相變和兩相流的傳熱及流動的研究顯得很薄弱,今后是一個重要發展方向[24]。     CFD技術與板翅式換熱器的設計研究相結合體現了科學技術之間的互助和協調發展,這對今后板翅式換熱器的研制具有深遠的影響。     4 應用實例     本實例采用CFD軟件Fluent對鋸齒翅片通道的傳熱與流動進行數值模擬,分析了鋸齒翅片的速度場、溫度場。速度場和溫度場分布如圖2和圖3所示。                        從圖2和圖3可以看出,由于金屬的導熱系數很大,固體部分溫度變化很小。壁面附近流體速度和溫度較低,通道中心流體速度和溫度較高。流體在鋸齒翅片通道的速度和溫度分布比較均勻。由于鋸齒翅片交錯的影響,增加了對流體擾動,流體流動邊界層和熱邊界層在流動方向上不斷被破壞,在通道內熱流體將熱量傳給上下隔板的過程中,壁面流體迅速降溫并與通道中心流體充分混合,最終達到較均勻的傳熱性能,提高了傳熱過程的傳熱效率。     5 結 論     隨著計算流體力學(CFD)技術、計算機輔助工程(CAE)技術等一些新技術在板翅式換熱器設計中的應用和制造工藝的提高,板翅式換熱器的應用領域不斷擴大,將進入一個全新的發展時期。如果能將理論分析、實驗研究、CFD數值模擬三者緊密地結合起來以相互補充,這將是研究板翅式換熱器問題的理想而有效的手段。  參考文獻: [1]羅森諾.傳熱學應用手冊(上) [M].北京:科學出版社, 1992. [2] Kays W M, London A L·Compact heat exchanger,3rd·NY: Macgraw-Hill  Book Company, 1984. [3]張哲,厲彥忠,田津津. CFD技術在板翅式換熱器設計中的應用[J].低溫與超導, 2002, 30 (3): 43-45. [4]姚征,陳康民. CFD通用軟件綜述[J].上海理工大學學報, 2002, 24 (2): 137-144. [5]王福軍.計算流體動力學分析———CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社, 2004. [6]周力行.湍流兩相流動與燃燒的數值模擬[M].北京:清華大學出版社, 1991. [7]蔡樹棠,劉宇陸.湍流理論[M].上海:上海交通大學出版社, 1993. [8]陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社, 1995. [9]郭寬良.計算傳熱學[M].合肥:安徽科學技術出版社, 1987. [10]劉霞,葛新鋒. FLUENT軟件及其在我國的應用[J].能源研究與利用, 2003 (2): 36-38. [11]陶文銓.數值傳熱學[M].北京:高等教育出版社,1988.[12]同文獻[9]. [13] Shah R K, London A L·Effects of nonuniform passageson compact  heat exchanger performance [J]. Journal ofEngineering for Power Trans  ASME, 1980, 102 (7):653-659. [14] Mueller A C, Chiou J P. Review of various types of flowmaldistribution  in heat exchanger [J]. Heat TransferEngineering, 1988, 9 (2): 36-50. [15]巫江虹,陳長青.板翅式換熱器兩相流分配特性及實驗研究[J].西安交通大學學報, 1995, 29 (11):117-126. [16]巫江紅,陳長青,吳業正.板翅式換熱器兩相流入口分配結構機理分析[J].低溫與特氣, 1996 (2):38-40. [17] Carluccio E, Starace G. Numeric alanalysis of a cross-flow  compact heat exchanger for vehicle applications[J]. Applied Thermal  Engineering, 2005, 25 (13):1995-2013. [18]張站,魏琪,侯海焱.錯列翅片換熱器表面換熱及阻力特性數值研究[J].江蘇大學學報, 2002, 23(2): 39-42. [19]侯海焱,魏琪.錯列翅片緊湊式換熱器湍流流動及換熱性能的數值研究[J].能源工程, 2002 (4): 6-10. [20]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. [21]李媛,凌祥.板翅式換熱器翅片表面性能的三維數值模擬[J].石油機械, 2006, 34 (7): 10-14. [22]孫志江.基于CFD板翅式換熱器傳熱與流動研究[D].南京:南京工業大學, 2007. [23]董其伍,王丹,劉敏珊,等.板翅式換熱器數值模擬研究[J].化工設備與管道, 2008, 45 (2): 25-27. [24] Mueller T , Hecht T . Plate-fin heat exchanger performance  reduction in special two-phase followconduction [J]. Cryogenics,  1995, 35 (5): 297-301.
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