人字形板式熱交換器的數值傳熱模擬

劉思宇

（中核遼寧核電有限公司，遼寧興城 125100）

0 引言

人字形板式熱交換器是核電廠中所普遍使用的間壁式換熱器，具有純逆流、結構緊湊、有限空間內換熱面積大、傳熱效率高等優點，彌補了管殼式換熱器的不足，因冷、熱流體彼此間互不接觸滲透混合這一特性使其成為一種使用廣泛、需求量大的換熱裝備[1]。換熱板是板式換熱器的核心部件，板片表面沖壓的形狀與幾何尺寸決定其傳熱與流阻性能[2]，依靠換熱板表面沖壓不同形狀并按一定分布規律使流體流向與流速發生變化，促使擾流程度增強，從而提高換熱效率。

1 FLUENT 在換熱器模擬中的應用

FLUENT 作為CFD 中的一種，是用來模擬與分析流體流動、傳熱和沖蝕等問題的軟件[3]。FLUENT 對換熱器進行模擬時主要涉及的部分有物理模型、有限元模型、邊界條件、湍流模型、控制方程和相關參數及屬性等。利用GAMBIT 軟件來完成物理模型、網格劃分及邊界條件的定義。再導入FLUENT 進行流體的性能分析，由于處于湍流中的流體具有強烈的擾流程度，使換熱變得更加的充分，因此對換熱器進行模擬時采用標準k-ε 湍流模型[4]。

2 人字形傳熱板概述

人字形傳熱板片是由一系列人字狀波紋沿其軸向按照一定間距分布而成周期性變化，板束是由許多人字形傳熱板片按一定間隔通過橡膠墊片壓緊而成，此種結構不僅使支撐強度與承壓能力增強而且使流體受擾程度劇烈流，曲折人字形狀流道會不斷地改變流質流速與流向進而使導流區的規則流在主傳熱區轉變為交叉流，從而產生二次流動，使其在很低的流速下就能達到湍流狀態以至于有很高的傳熱效率及熱回收率[5]。

3 強化傳熱機理

具有溫差的兩種流質在忽略熱量損失的情況下，其換熱模式總是從高溫向低溫過度進而達到動態平衡。層流與湍流為流體流動的兩種基本形式，層流一般發生于傳導而湍流一般則發生于對流[6]。層流是有規則的，但因流道壁的摩擦力致使流質在壁面上的流動緩慢，湍流是無規則渦流流動，但流道壁周圍總會呈現層流膜，湍流程度的增強導致管道壁層流膜變薄，實現在單位有效換熱面積最小的基礎上傳遞相同熱量，進而達到最高的換熱效率。

根據單位時間內換熱量Q=KAΔtm，其中換熱溫差Δtm、傳熱系數K 與有效換熱面積A 是換熱量的主要承擔因素[7]，若增大換熱量，就必須增大三者之一。換熱系數越高，傳熱效率就越大，需要的換熱面積就小，而換熱溫差由同向流與逆向流決定，相同工況下，逆向流的換熱溫差要高于同向流，故逆向流換熱模式的熱交換器具有結構緊湊的特點。

4 模型的預處理

人字形傳熱板片按照主傳熱區沿其軸向的波紋角度大小可分為大于90°硬板H 與小于90°軟板W 兩類，換熱效率的高低取決于波紋角度、波紋深度、分布間距等，但影響最大的因素為波紋角度。本次傳熱模擬的流質模型具有相同的換熱面積與流通截面積，在分布間距P=3 mm 與波紋深度D=0.5 mm 相同的工況下，對角度為60°的軟板與角度為120°的硬板在不同流速下進行模擬分析，入口速度以流量1 m/s 為基準按0.2 m/s 間隔遞增，直至2.0 m/s 為止。模型的預處理包括網格劃分、邊界條件設定及確定求解方法等3 部分。首先通過三維建模軟件PROE 生成實體模型，再將實體模型另存為IGES 文件后導入Gambit 中進行網格的劃分和邊界條件的設定。由于波紋板模型結構的復雜性，在網格劃分的過程中很容易出現扭曲度較大的網格進而會對網格的劃分質量產生一定的影響，網格質量的優劣是模擬計算的關鍵部分，故本次均采用非結構化網格中的Tet/Hybrid 網格單元進行劃分，網格的間距取0.65 mm，硬板H 與軟板W的局部網格劃分分別如圖1和圖2 所示。

圖1 硬板H 局部放大網格

圖2 軟板W 局部放大網格

通過實際工況設定模擬邊界條件，入口設置為Velocity inlet，出口設置為Pressure outlet，板管壁面與側面均設置為不可滲透的無滑移邊界。入口溫度為40 ℃，板管內介質為水，板壁面溫度為恒壁溫12 ℃。本文模擬計算均選用SIMPLE 算法進行離散計算，其相應的參數選擇為默認值。湍流模型選擇為標準k-ε 模型，湍流參數中的湍流強度定義為4.7，水力半徑定義為0.2 m。選擇二階迎風的格式對模型進行離散化處理[8]，在計算過程中所涉及的方程有動量方程、湍流方程、質量方程和能量方程，其殘差精度不同[9]。計算結果是否收斂將通過設定的殘差曲線來進行判定，當曲線達到平穩且無較大波動時，計算可視為收斂[10]。

5 模型結果分析

通過FLUENT 軟件的后處理功能，可將計算結果經過可視化的云圖、矢量圖等顯示出內部流體的流動狀態及變化規律。

圖3 與圖4 分別為軟板W 與硬板H 的速度矢量圖，從軸向截面側與換熱面側均可以看出，傳熱板表面上沿流質運動的軸向形成多組流道，不同區域的流速大小與方向各不相同。由于流通截面積不斷變化，凸起處因流動空間較大致使流速降低，凹陷自支撐處因流通截面積變小致使流速明顯增加并沿流質入口至出口的軸向呈周期性不斷變化。

圖3 軟板W 局部軸向速度矢量圖

圖4 硬板H 局部速度矢量圖

圖5 與圖6 分別為軟板W 與硬板H 的軸向截面壓力云圖，從軸向截面圖中可看出流體的流動方向是從左向右的，且壓力以較強的規律性呈周期性逐漸減小趨勢，在流體進入時壓力呈現出最大值，而流出時則呈現出最小值。在凸起區域的壓力變化差異較大，尤其當流體流進自支撐結構區域時，其壓力梯度變化顯著，原因是由換熱板內流通面積逐漸變大又變小所造成的。

圖5 軟板W 軸向截面壓力云圖

圖6 硬板H 軸向截面壓力云圖

圖7 軟板W 軸向截面溫度云圖

圖8 硬板H 軸向截面溫度云圖

圖7 與圖8 分別為軟板W 與硬板H 的軸向截面溫度云圖，從圖中可以看出溫度沿軸線方向是逐漸降低的且分布規律性較強，在凸起與凹陷處變化顯著。圖9 與圖10 分別為軟板W與硬板H 的徑向截面溫度云圖，從圖中可以看出流質在主傳熱區的流態為交叉對流換熱，進而實現流質在流道中的縱橫交錯傳熱，提高換熱效率。

6 數據處理及對比分析

圖9 軟板W 徑向截面溫度云圖

圖10 硬板H 徑向截面溫度云圖

對模擬數據進行處理，得到軟板W 與硬板H 在不同流速下的壓力降與膜傳熱系數性能曲線對比圖。圖11 為軟板與硬板壓降對比變化曲線圖，從圖中可以看出，隨著流速的遞增，兩者的壓降也呈現遞增狀態。對比相同流速下兩者的壓降變化可以得出硬板始終處于較高的狀態。圖12 為軟板與硬板的膜傳熱系數對比曲線圖，從圖中可以得知，兩者的膜傳熱系數均隨著流速的增加而逐漸增大，且流速越大，彼此之間的差距就越明顯。相同流速下，硬板的膜傳熱系數大于軟板，但膜傳熱系數的增大相應的會帶來較大的壓力損失，而壓降大是受到了流通面積的制約。

7 結論

圖11 軟板與硬板壓降對比變化曲線

圖12 軟板與硬板膜傳熱系數對比變化曲線

通過FLUENT 軟件的數值模擬分析，得出人字形板式熱交換器主傳熱區因流通截面積的不斷變化，致使流態空間較大的凸起處流速降低，流態空間較小的自支撐處流速明顯增加，并沿流質入口至出口的軸向呈周期性高低交錯變化。在流體進入時壓力呈現出最大值，且以較強規律呈周期性逐漸減小趨勢，原因是由換熱板內流通面積大小交錯變化所造成的，而當流出時則呈現出最小值。主傳熱區溫度從流質入口到出口處呈逐漸遞減變化趨勢，流質在橫縱流道內進行交叉對流換熱，進而實現流質在流道中的縱橫交錯綜合換熱，提高換熱效率。

人字形板式熱交換器硬板與軟板在壓降、膜傳熱系數與單位壓降傳熱系數方面的對比分析，得出隨著流速的不斷增大，硬板與軟板的壓降與膜傳熱系數呈遞增趨勢變化且硬板高于軟板，相同流速下硬板相比軟板，壓降與膜傳熱系數一直處于較大的狀態，硬板換熱效率高但流動阻力大，軟板流動阻力小但換熱效率低。掌握其內部流場分布規律可以為今后的維修奠定一定的理論與技能基礎，同時為換熱設備進一步優化提供新思路和新技術。