板翅式換熱器芯體氣流分布研究

丁友勝++崔新亭

摘 要：為了研究板翅式換熱器芯體內的氣流分布情況，對板翅式換熱器封頭和芯體整體進行建模，并分別采用多孔跳躍模型、多孔區域模型和多通道多孔區域模型等三種模型對換熱器芯體進行簡化處理，對比分析了各種模型的優劣。結果表明，多通道多孔區域模型最符合實際運行情況，并基于此模型計算分析了芯體高度對換熱器氣流分布的影響。

關鍵詞：板翅式 多孔介質 氣流分布

中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0025-04

板翅式換熱器因結構緊湊、體積小、質量輕、傳熱效率高、溫度控制性好、適應性強等一系列優點廣泛應用于諸多工業領域，并成為空分、LNG等裝置最重要的設備之一。隨著空分、LNG等裝置向大型、特大型方向發展，其對所用板翅式換熱器的要求也越來越高。而目前國內自主設計制造的板翅式換熱器的效率與國外仍有很大的差距。影響其換熱效率的因素主要是流體分布的均勻性、翅片的傳熱特性、相變的影響和物流通道的排列等，而流體分布均勻性一直是研究的重點之一。國內外多數研究認為流體分布不均勻是由于封頭、配管設計不合理[1-5]，在流體還未進入板束體進行換熱時已產生了不均勻分布，并指出封頭結構是導 致流體分布不均的主要因素。

板翅式換熱器結構復雜，由封頭、導流片、翅片、隔板、封條等組成，在數值模擬中要將其一一體現出來是不現實的，必須進行簡化處理。為此，Patankar和Spalding提出了多孔介質模型的方法[6]。陳強[7]將微管道換熱器抽象成多孔介質模型。朱冬生[8]采用多孔介質模型對板翅式燃氣熱水器換熱器芯體內流體的流動與傳熱進行三維數值模擬。李美玲[9]采用多孔介質模型對換熱器芯體進行了簡化處理。熊智強[10]采用直接數值模擬和多孔介質模型兩種方法對管殼式換熱器進行研究。本文分別采用多孔跳躍模型、多孔區域模型和多通道內多孔區域模型對換熱器芯體進行簡化計算，分析多孔介質模型在板翅式換熱器流體分布數值模擬中的應用的合理性，并分析換熱器芯體高度對氣流分布的影響。

1 物理模型

根據某板翅式換熱器內部實際流動區域，建立了板翅式換熱器氣流入口封頭及板束體幾何模型。其中封頭尺寸為1000 mm×300 mm×450 mm，進口管直徑110 mm。芯體采用三種處理方式，一是用多孔跳躍模型進行一維簡化；二是用多孔區域將芯體簡化成長方體；三是簡化為25個通道，每個通道內為多孔介質模型。為了減少模型進出口對換熱器流場的影響，將出口向外側延伸50 mm（見圖1、圖2和圖3）。

2 數學模型

（1）質量守恒方程：

（1）

（2）動量守恒方程：

（2）

①對于非多孔介質區域Si=0。

②多孔介質的動量方程具有附加的動量源項。動量源項采用冪律公式來確定：

（3）

其中，為多孔區域的動量源項，Pa/m；為多孔區域內的流速，m/s；C0為擬合公式中流速的系數；C1為擬合公式中流速的指數。根據試驗數據擬合芯體阻力公式為：，得：C0=5916，C1=1.79。

（3）k-方程：

（4）

（5）

①在非多孔介質區，取：

Sk=0，S=0

②在多孔介質區，取：

（6）

（7）

3 邊界條件及求解方法

在換熱器芯體內的通道中，氣流主要沿板束方向流動，在通道內部，有少許橫向流速分布，對于通道之間來說，由于隔板的原因，橫向流速分布可忽略不計。模型假設氣體不可壓縮，邊界條件設置選擇速度入口、壓力出口，芯體根據簡化模型選擇多孔跳躍或多孔區域邊界條件。壁面附近采用標準壁面函數法，求解模型采用Simple算法的分離求解器，湍流模型采用標準k-ε方程，各項收斂標準均設為0.001。

4 計算結果及分析

4.1 計算結果分析指標

（1）定性指標——流場分布與實際運行情況符合程度，選取模型中心截面流場矢量圖，并與實際運行情況進行對比，由兩者相符程度判斷模型的合理性。

（2）定量指標——氣流分布不均勻度M，可用公式表達為：

（8）

其中，gi為第i個通道流量，ga為總流量。

4.2 三種模型計算結果的合理性比較

（1）采用多孔跳躍模型簡化換熱器芯體。

圖4、圖5可以看出，氣流進口處的Z向速度大于0的范圍較多，即有嚴重向上回流的現象，這對板翅式換熱器的通道來說，是不可能的。因此，采用這種簡化模型分析流場是不合理的。出現這種結果的主要原因是模型僅計算封頭內部的流場，而不考慮換熱器芯體內的流場分布。

（2）采用多孔介質區域將芯體簡化為長方體。

圖7看出，換熱器芯體的整個流場內，Z向速度為負，沒有出現回流現象，與多孔跳躍模型相比，比較符合實際運行情況。但是圖6顯示，在芯體入口內部，流場沿封頭軸線方向，出現了比較嚴重的橫向滲流現象，這種現象仍然與芯體換熱通道的特性不符，故單純的多孔區域模型仍有較大偏差。

（3）簡化為25個通道模型。

基于以上兩種模型出現的問題，需對第二種模型做進一步的改進，將整個芯體沿封頭軸線方向劃分，簡化為25個通道，每個通道內為多孔介質模型，通道之間由隔板完全隔開。由圖8可以看出，這種模型基本上消除了芯體入口內部橫向滲流現象，符合芯體內換熱通道的特性，故運用該模型對換熱器內部的流場進行分析時，可以得到比較接近真實的結果。如果要得到更精確的結果，可以將模型隔出更多通道，但對電腦的性能要求也更高。

4.3 換熱器芯體高度對流場分布均勻性的影響endprint

根據第三種計算模型，對于固定的翅片形式，多孔介質的特性參數是一定的，那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質量流量的分布與芯體高度的關系圖；圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。

從圖10可以看出，當芯體高度小于2 m時，氣流分配非常不均勻；當芯體高度大于2 m時，氣流分配不均主要發生在換熱器中心部位，即通道11到通道15之間；當芯體高度大于4 m時，氣流分配總體趨于均勻，中心部位依然有小程度不均，芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結果可以看出，換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時，氣流分配非常不均勻，此時通過改進封頭結構能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題；當芯體阻力比較大時，對封頭結構改造的意義就很小了。

5 結語

該文不局限于僅僅計算封頭內部的流場分布，而是對換熱器的整體流場進行研究，因此得出的計算結果更具有實際意義。

對板翅式換熱器芯體進行簡化時，多通道多孔區域模型要明顯優于多孔跳躍模型和整體多孔區域模型，更符合實際情況。

換熱器芯體高度對氣流分布影響較大，當高度達到一定值時，改變封頭結構就失去了意義。事實上，國內進口板翅式換熱器基本上沒有封頭分布結構。

采用多孔介質模型對換熱器芯體進行合理的簡化能夠為開發高效率板翅式換熱器提供一條有利的途徑。

參考文獻

[1] MUELLER A C，CHIOU J P.Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers [J].Heat Transfer Engineering，1988，9（2）：36-50.

[2] SHAH R K，SEKULIC D P.Fundamentals of Heat Ex—Changer Design[M].New York：John Wiley and Sons，2003：809-853.

[3] 張哲，厲彥忠，焦安軍.板翅式換熱器封頭結構的數值模擬[J].化工學報，2002，53（11）：1182-1187.

[4] 巫江虹，陳長青，吳業正.板翅式換熱器兩相流封頭設計及其分配特性[J].低溫工程，1996（5）：10-14.

[5] 焦安軍.換熱器入口物流分配特性研究及結構優化[D].西安：西安交通大學，2002.

[6] Patankar S V，Spalding D B.Heat Exchanger Design Theory Souse Book[M].New York·McGRAW-Hill Book Company，1974.

[7] 陳強，楊靜宇，董濤，等.微管道換熱器多孔介質模型分析及應用[J].機械工程學報，2004，40（4）：108-113.

[8] 朱冬生，毛瑋，藍少健，等.多孔介質模型在板翅式換熱器數值模擬中的應用[J].流體機械，2012，40（4）：63-67.

[9] 李美玲，田寶龍，王宏偉，等.板翅式換熱器封頭型式的改造[J].低溫與特氣，2011，29（4）：16-20.

[10] 熊智強，喻九陽，熊智斌.管殼式換熱器流場數值模擬方法[J].武漢工程職業技術學院學報，2006（3）.endprint

根據第三種計算模型，對于固定的翅片形式，多孔介質的特性參數是一定的，那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質量流量的分布與芯體高度的關系圖；圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。

從圖10可以看出，當芯體高度小于2 m時，氣流分配非常不均勻；當芯體高度大于2 m時，氣流分配不均主要發生在換熱器中心部位，即通道11到通道15之間；當芯體高度大于4 m時，氣流分配總體趨于均勻，中心部位依然有小程度不均，芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結果可以看出，換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時，氣流分配非常不均勻，此時通過改進封頭結構能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題；當芯體阻力比較大時，對封頭結構改造的意義就很小了。

5 結語

該文不局限于僅僅計算封頭內部的流場分布，而是對換熱器的整體流場進行研究，因此得出的計算結果更具有實際意義。

對板翅式換熱器芯體進行簡化時，多通道多孔區域模型要明顯優于多孔跳躍模型和整體多孔區域模型，更符合實際情況。

換熱器芯體高度對氣流分布影響較大，當高度達到一定值時，改變封頭結構就失去了意義。事實上，國內進口板翅式換熱器基本上沒有封頭分布結構。

采用多孔介質模型對換熱器芯體進行合理的簡化能夠為開發高效率板翅式換熱器提供一條有利的途徑。

參考文獻

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[9] 李美玲，田寶龍，王宏偉，等.板翅式換熱器封頭型式的改造[J].低溫與特氣，2011，29（4）：16-20.

[10] 熊智強，喻九陽，熊智斌.管殼式換熱器流場數值模擬方法[J].武漢工程職業技術學院學報，2006（3）.endprint

根據第三種計算模型，對于固定的翅片形式，多孔介質的特性參數是一定的，那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質量流量的分布與芯體高度的關系圖；圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。

從圖10可以看出，當芯體高度小于2 m時，氣流分配非常不均勻；當芯體高度大于2 m時，氣流分配不均主要發生在換熱器中心部位，即通道11到通道15之間；當芯體高度大于4 m時，氣流分配總體趨于均勻，中心部位依然有小程度不均，芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結果可以看出，換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時，氣流分配非常不均勻，此時通過改進封頭結構能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題；當芯體阻力比較大時，對封頭結構改造的意義就很小了。

5 結語

該文不局限于僅僅計算封頭內部的流場分布，而是對換熱器的整體流場進行研究，因此得出的計算結果更具有實際意義。

對板翅式換熱器芯體進行簡化時，多通道多孔區域模型要明顯優于多孔跳躍模型和整體多孔區域模型，更符合實際情況。

換熱器芯體高度對氣流分布影響較大，當高度達到一定值時，改變封頭結構就失去了意義。事實上，國內進口板翅式換熱器基本上沒有封頭分布結構。

采用多孔介質模型對換熱器芯體進行合理的簡化能夠為開發高效率板翅式換熱器提供一條有利的途徑。

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[9] 李美玲，田寶龍，王宏偉，等.板翅式換熱器封頭型式的改造[J].低溫與特氣，2011，29（4）：16-20.

[10] 熊智強，喻九陽，熊智斌.管殼式換熱器流場數值模擬方法[J].武漢工程職業技術學院學報，2006（3）.endprint