鐵鎳泡沫填充板式換熱器傳熱特性數(shù)值模擬

晁攸明，程 聰，張銥鈖

（太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，太原030024）

換熱器是許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性起著舉足輕重的作用。隨著換熱器在許多新興的技術(shù)領(lǐng)域如核能和太陽能等新能源技術(shù)、宇航技術(shù)及超導(dǎo)技術(shù)中的應(yīng)用，強(qiáng)化傳熱技術(shù)的進(jìn)步和新材料、新工藝的不斷發(fā)展，各種換熱設(shè)備也趨向于高性能、高效率、低能耗、緊湊型的設(shè)計方向。國外先后推出了一系列新型高效換熱器［1－2］，如焊接式板式換熱器［3］和 Hitan繞絲花環(huán)換熱器［4］等，這些新型換熱器有些已在化工、石油和制藥等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。我國在新型換熱器的研發(fā)應(yīng)用方面與國外尚存在較大差距，開發(fā)新型高效和結(jié)構(gòu)緊湊的換熱器，提高傳熱效率，減少材料消耗是目前換熱器研究的一個重要方向。

多孔泡沫金屬材料是一種新型多功能復(fù)合材料，具有比表面積大和基體金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)高的特點(diǎn)，特別是開孔泡沫金屬材料，其復(fù)雜三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠提高流體非線性效果及增強(qiáng)湍流程度。一些研究者已分別對其流動和傳熱性能進(jìn)行了理論分析、實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬［5－10］，為泡沫金屬材料在傳熱設(shè)備中的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。

本文利用開孔鐵鎳泡沫材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和板式換熱器高效、節(jié)能的良好性能，研制出一種新型緊湊式鐵鎳泡沫填充板式換熱器，并用CFD商用有限元計算軟件FLUENT對換熱器中介質(zhì)的傳熱特性進(jìn)行仿真數(shù)值模擬。分析了填充不同孔密度的鐵鎳泡沫材料對板式換熱器傳熱性能的影響。

1 鐵鎳泡沫充填板式換熱器結(jié)構(gòu)

圖1-a為本文研制的泡沫充填板式換熱器裝置。該換熱器由平行均布在殼體中的傳熱板束及冷、熱流體板箱組成。板束由數(shù)個板片和板片端部設(shè)置的封條焊接而成。相鄰板片走向垂直。板片間填充鐵鎳泡沫材料，以提高流體的湍流程度，如圖1-b所示。

2 計算模型

本文研制的板式換熱器換熱部分的結(jié)構(gòu)尺寸為：板片厚為2mm，殼體厚度為4mm，封條規(guī)格為10mm×10mm×270mm，填充泡沫金屬空間為250mm×10mm×270mm，共計八層。采用Gambit2.3.16建立的三維計算模型見圖2。整體采用六面體（hex）單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對板片網(wǎng)格密度進(jìn)行了細(xì)化，網(wǎng)格總數(shù)為388 129。

圖1鐵鎳泡沫充填板式換熱器

圖2 鎳鐵泡沫充填板式換熱器網(wǎng)格圖

3 求解條件

3.1 基本假設(shè)

對于空氣－空氣換熱問題，換熱過程不僅包括流體對流換熱，還包括泡沫材料及板片的熱傳導(dǎo)，若換熱過程沒有相變，本文在傳熱和流動特性分析中作了以下假設(shè)：

1）流動為定常流動；

2）忽略熱輻射的影響；

3）對流傳熱過程中與外界為絕熱狀態(tài)；

4）所填充的鐵鎳泡沫金屬各向同性并且孔隙按均勻分布進(jìn)行模擬計算；

5）換熱穩(wěn)定、充分。

3.2 邊界條件

邊界條件的設(shè)置包括速度入口邊界條件、壓力出口邊界條件、壁面邊界條件和多孔介質(zhì)區(qū)域參數(shù)設(shè)置。邊界條件設(shè)置為：

1）冷、熱空氣進(jìn)口處定義為MASS-FLOW-INLET，即定義進(jìn)口質(zhì)量流量和溫度。

2）由于計算模型包括兩個流動區(qū)域，中間被板片隔開，所以出口處定義為 PRESSURE-OUTLETE即壓力出口邊界。

3）定義換熱器殼體壁面為wall默認(rèn)條件，即換熱器殼體是絕熱的，板片間冷熱流體通道為壁面耦合條件；設(shè)定板片間鐵鎳泡沫放置區(qū)的粘性阻力系數(shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)C2，并設(shè)置泡沫材料的孔隙率。

4）填充材料為鐵鎳泡沫，板片和封條的材料均為碳鋼。

3.3 求解條件

在 Gambit2.3.16 中 將求解器 （Solver）選 為Fluent5／6后，將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行模擬計算。求解條件為：

1）設(shè)定求解器為離散求解法（Pressure Based）、隱式算法（Implicit）、三維空間（3D）、穩(wěn)定流動（Steady）。

2）定義物性參數(shù)。本文流體介質(zhì)均為空氣，其密度選擇為：理想氣體（idealgas）。

3）比熱容cp（J／（kg·K））設(shè)置為分段線性函數(shù)：

式中，t為溫度，℃。

4）導(dǎo)熱系數(shù)λ設(shè)置為：

7）不考慮重力加速度的影響，按默認(rèn)設(shè)置。

8）采用SIMPLY計算方法。在迭代對話框里選擇空氣的進(jìn)口為迭代開始的位置，設(shè)置迭代步數(shù)進(jìn)行迭代求解。

4 模擬結(jié)果分析

為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比［11］，采用實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行模擬計算，表1為按實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定的模擬計算邊界條件數(shù)據(jù)。鐵鎳泡沫材料粘性阻力系數(shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)分別設(shè)置為 1／α＝1.689×107m－2和 C2＝865.29m－1。

表1 邊界條件數(shù)據(jù)表

圖3 換熱效率數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

圖3 顯示了鐵鎳泡沫填充板式換熱器換熱效率數(shù)值模擬結(jié)果。可以看出，在填充鐵鎳泡沫材料后，板式換熱器的換熱效率明顯增高；隨著空氣流量的增大，無填充材料的板式換熱器的換熱效率有所降低，而填充鐵鎳泡沫材料的板式換熱器換熱效率總體趨于穩(wěn)定。由于實(shí)驗(yàn)和模擬所用的鐵鎳泡沫材料孔隙率皆為0.976 7，在相同流量下填充不同孔密度的鐵鎳泡沫材料對換熱效率的影響不大。無填充情況下，實(shí)驗(yàn)值與模擬值熱效率曲線趨勢一致。由于實(shí)驗(yàn)中保溫效果的不理想，有熱量耗散，致使熱效率實(shí)驗(yàn)值比模擬值平均高出15%左右。在填充不同孔密度的鐵鎳泡沫金屬下，當(dāng)空氣流量小于20m3／h時，由于小流量下實(shí)驗(yàn)誤差較大，換熱效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相差25%左右。但當(dāng)空氣流量大于20m3／h時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果曲線基本一致，由于實(shí)驗(yàn)保溫效果的影響，兩者的平均換熱效率差別也在15%左右。通過比較可見，模擬結(jié)果基本符合實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)論，板式換熱器在填充鐵鎳泡沫金屬后，其熱效率將大大提高，并且能在不同空氣流量下保持換熱效率的穩(wěn)定性。圖4給出了流量為50 m3／h條件下，填充鐵鎳泡沫的孔密度為25PPI時，板式換熱器冷、熱空氣中間界面的壓力云圖。可以看出，冷熱空氣垂直對流流過鐵鎳泡沫材料后，由于流動阻力增加，產(chǎn)生一定的壓力損失。冷空氣壓力入口處的平均壓力為160Pa，出口處的平均壓力約為20Pa，與實(shí)驗(yàn)值基本吻合［12］。

圖4 冷、熱空氣中間界面的壓力云圖（Qv＝50m3／h）

5 結(jié)論

通過以空氣為介質(zhì)的氣－氣傳熱有限元模擬研究可以發(fā)現(xiàn)：在板式換熱器中填充鐵鎳泡沫材料后，由于增強(qiáng)了流體的湍流程度，流體流經(jīng)泡沫材料會發(fā)生三維擾動，強(qiáng)化了傳熱，顯著提高了傳熱效率。當(dāng)流量達(dá)到一定數(shù)值時，孔隙率相同的泡沫材料，孔密度的大小對傳熱效率的提高影響不明顯。盡管板式換熱器中填充泡沫材料后會增加一定的壓降，但由于其傳熱效率的提高，換熱器在額定熱負(fù)荷下的換熱面積減少。本文研究成果為泡沫金屬材料提供了一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，對高效緊湊式換熱器的優(yōu)化設(shè)計有重要的參考價值。

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