板式換熱器板片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱性能影響的分析

陳瓊光

摘要：本文針對板式換熱器進板片的波紋結(jié)構(gòu)行數(shù)值模擬分析進行簡單分析。我們研究的重點就是從數(shù)值模擬仿真入手，利用CFD軟件，進行流場分析、計算、預(yù)測的專業(yè)軟件。通過uG軟件，可以分析并顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，在比較短的時間內(nèi)，能預(yù)測性能，并通過改變各種參數(shù)，達到最佳效果，為后續(xù)更好的研究找到方向。

關(guān)鍵詞：板式換熱器板片；數(shù)值模擬；UG

1引言

換熱器是廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、動力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用的換熱設(shè)備。冷熱流體的換熱均發(fā)生在換熱板片上，此外還要承受板片兩側(cè)的流體壓差，所以作為板式換熱器傳熱部件的板片研究、開發(fā)越來越受到重視。板式換熱器的性能主要體現(xiàn)在總傳熱系數(shù)和壓降兩方面。

本文基于板片的初步模型，和板式換熱器流動與換熱機理，應(yīng)用有限元和理論分析相結(jié)合的方法，圍繞板式換熱器板片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱性能的影響分析展開研究。運用3D軟件對人字形波紋板式換熱器板片進行建模及分析。

2主要研究內(nèi)容

現(xiàn)有的板式換熱器設(shè)計多以選型計算為主，選配過程中局限性較大。有時受操作工藝、操作空間等客觀因素限制，廠家現(xiàn)有板片無法滿足生產(chǎn)勞動特定性能及運行特征的要求，就要根據(jù)實際操作參數(shù)，進行板片的開發(fā)成型設(shè)計。因此研究特定條件下板片幾何參數(shù)對換熱性能的影響，對板片開發(fā)成型設(shè)計工作具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

現(xiàn)在的研究方式基本上是：數(shù)據(jù)分析、實際應(yīng)用經(jīng)驗、研究性試驗數(shù)據(jù)分析等。這些方法是可行的，可是周期長、成本高、對過程計算要求精確，任何中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致后續(xù)研究無法進行，或浪費大量時間。近年來，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，有限元法已經(jīng)在結(jié)構(gòu)工程強度分析方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。

本文利用UG軟件進行板片的結(jié)構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)格劃分，通過有限元分析對人字形波紋板式換熱器內(nèi)流體的流動和換熱進行數(shù)值模擬分析，具體的分析有以下幾個方面。

（1）通過在其他條件都一定的情況下，不同波紋角度的板片結(jié)構(gòu)分析，得到板片換熱性能較好區(qū)域；

（2）通過在其他條件都一定的情況下，不同波紋深度的板片結(jié)構(gòu)分析，得到波紋深度性能最優(yōu)區(qū)域；

（3）通過在其他條件都一定的情況下，不同波紋間距的板片結(jié)構(gòu)分析，得到波紋間距較好區(qū)域。

3模型建立

根據(jù)板式換熱器板片制作圖建立分析計算模型，模型按照設(shè)計的要求，包括板片波紋形式、主要結(jié)構(gòu)特點。將建好的物理模型，劃分成可計算的網(wǎng)格模型。在流體的模擬計算過程中，為保證計算的速度和突出計算的重點，所以在用FLUENT前處理軟件建立蒸發(fā)冷卻器的網(wǎng)格模型時，應(yīng)該對板片模型做相應(yīng)簡化。

由于板片為不規(guī)則模型，不能直接生成結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，且板片結(jié)構(gòu)中所包含的物理模型比較復(fù)雜，不規(guī)則的網(wǎng)格模型會加大計算收斂的難度和影響計算的精度。如果在劃分網(wǎng)格時適當?shù)膶迤M行分區(qū)，分成圓柱、圓弧等一些規(guī)則模型。這樣可降低網(wǎng)格劃分的難度，并且提高網(wǎng)格的質(zhì)量。

首先對現(xiàn)有產(chǎn)品做整體性能分析，進一步驗證本文研究范圍的合理性。通過分析數(shù)據(jù)得到，板片波紋形式對流體流速、阻力有著決定性的影響，是影響換熱性能的重要因素。所以，確定本研究不再過多考慮板片角孔區(qū)、導(dǎo)流區(qū)對整體換熱影響，重點分析板片的波紋傾角、波紋深度、波紋間距不同時對板片換熱性能的影響。并且制定了分析方向，得到分析結(jié)果。在有限元數(shù)值模擬分析后，得到各種條件下呈現(xiàn)的不同的速度場、溫度場、壓力場。

4基本方法

通過分析影響換熱性能的主要因素、板片的結(jié)構(gòu)特點，做出更適合分析的流體分析模型，找到課題研究和結(jié)果的決定性因素和參數(shù)。基于板片的模型參數(shù)，進行初級建模，然后利用有限元分析模塊功能對初級模型進行數(shù)值模擬分析。

板式換熱器設(shè)計主要考察整體的壓力降和總體換熱系數(shù)，壓力降直接影響到板式換熱器的大小，而總體換熱系數(shù)則直接影響換熱器整體換熱性能。換熱系數(shù)的計算是一個比較復(fù)雜的過程，目前比較流行的方法是對數(shù)平均溫差法和NTU法。在計算機沒有普及的時候，各個廠家大多采用計算參數(shù)近似估算和流速一總傳熱系數(shù)曲線估算方法。目前，越來越多的廠家采用計算機計算，這樣，板式換熱器的工藝計算變得快捷、方便、準確。

通過以上各個物理參數(shù)的關(guān)系，可以看出，當換熱量相同，溫度相同，傳熱系數(shù)越高，所需要的換熱面積就越小，這樣產(chǎn)生的成本就越低，這是在生產(chǎn)過程中所追求的。這就提示我們在做設(shè)計的時候要更多的考慮如何提高板換的效率，這個任務(wù)就很自然的落到了每個板片上面。

6結(jié)束語

本文根據(jù)人字形波紋板片的實際結(jié)構(gòu)和尺寸，建立了冷熱雙流道換熱計算模型，運用計算流體力學軟件對板式換熱器內(nèi)流體的流動和換熱特性進行了三維數(shù)值模擬研究，對板片的結(jié)構(gòu)給出了優(yōu)化建議。進行的板片結(jié)構(gòu)參數(shù)對板式換熱性能影響的分析，對企業(yè)進行板片設(shè)計、改造、生產(chǎn)等都具有重要指導(dǎo)作用，同時對板式換熱器的整體換熱性能的研究提供了核心依據(jù)。