板式換熱器直通道內(nèi)流動(dòng)傳熱特性研究

朱睿穎　馬喜振

摘 要：板式換熱器因換熱效率高而具有廣闊的應(yīng)用前景。本文研究了板式換熱器直通道內(nèi)的流動(dòng)傳熱特性，通過建立三維模型、數(shù)值模擬得到了直通道內(nèi)流體的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，研究了雷諾系數(shù)對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響。

關(guān)鍵詞：板式換熱器;微通道;傳熱;雷諾系數(shù)

中圖分類號(hào)：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0045-03

Research on Flow and Heat Transfer Characteristics in the Straight Channel of Plate Heat Exchanger

ZHU Ruiying MA Xizhen

（The Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Plate heat exchangers have broad application prospect due to their high heat transfer efficiency. In this paper， the flow and heat transfer characteristics in the straight channel of the plate heat exchanger are studied. Through the establishment of a three-dimensional model， the distribution of the flow field and temperature field in the straight channel is obtained by numerical simulation， and the influence of Reynolds coefficient on the flow and heat transfer is studied.

Keywords： plate heat exchanger;microchannel;heat transfer;Reynolds coefficient

板式換熱器的芯體由金屬板片交替疊加排列經(jīng)擴(kuò)散焊接技術(shù)連接構(gòu)成。板片上多分布著半圓形結(jié)構(gòu)的微型流體通道，而該微型通道一般是通過光化學(xué)刻蝕技術(shù)形成的，因而板式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高和傳熱系數(shù)高等特點(diǎn)[1]。

板式換熱器的單元換熱效率在90%以上。在相同熱負(fù)荷和壓降下，與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，板式換熱器的體積和質(zhì)量可以減少80%以上。在制造工藝上，板式換熱器采用光化學(xué)刻蝕和擴(kuò)散焊接方式，芯體換熱單元由唯一的母材構(gòu)成，擴(kuò)散連接部位在理想狀態(tài)下可達(dá)到母材的強(qiáng)度，因此承壓能力較大，承受溫度范圍廣[2]。同時(shí)，板式換熱器還可實(shí)現(xiàn)多種介質(zhì)同時(shí)換熱，且無須墊片、管板等配件，具有更高的設(shè)備可靠性[3]，因此廣泛應(yīng)用于石油化工、海洋工程及光熱發(fā)電等領(lǐng)域[4-6]。

本文研究印刷電路板換熱器直通道內(nèi)的流動(dòng)傳熱特性。選用的流體為超臨界二氧化碳，通過對(duì)換熱器換熱元件的幾何設(shè)計(jì)和數(shù)值模型建立，分析直通道內(nèi)流體的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，研究雷諾系數(shù)對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響。

1 幾何設(shè)計(jì)

板式換熱器的熱流體和冷流體在不同片層交替流動(dòng)。本文研究半圓形截面的直通道結(jié)構(gòu)，換熱單元的截面如圖1所示。板式換熱器的幾何設(shè)計(jì)主要由通道內(nèi)流體的流動(dòng)和傳熱特性決定，以超臨界二氧化碳（SCO）為流動(dòng)工質(zhì)，設(shè)計(jì)通道直徑（D）、通道長(zhǎng)度（L）、通道中心柵距（Pc）、板片厚度（t）等幾何尺寸。

又知，半圓形通道的截面面積A和周長(zhǎng)P，可得半圓形通道的水力直徑D為：

D=4A/P=πD/π+2 （1）

由于超臨界二氧化碳物性變化劇烈，計(jì)算時(shí)需沿流道方向進(jìn)行分段計(jì)算，分別計(jì)算每個(gè)微元段內(nèi)的溫度、壓降和換熱量。假設(shè)流量在通道內(nèi)均勻分布，熱流體側(cè)和冷流體側(cè)的通道及板片幾何尺寸相同，忽略軸向?qū)帷ＴO(shè)計(jì)思路為先假定流道直徑、長(zhǎng)度及流道數(shù)量，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算確定板片厚度和通道中心柵距，從熱側(cè)入口分段迭代計(jì)算，得到總換熱量和壓降。若不滿足設(shè)計(jì)要求的換熱量和壓降，調(diào)整流道直徑、長(zhǎng)度及流道數(shù)量，重新迭代計(jì)算，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

每一微元段內(nèi)的換熱由熱流體側(cè)的對(duì)流換熱、壁面導(dǎo)熱和冷流體側(cè)的對(duì)流換熱組成，總傳熱系數(shù)為：

熱流體側(cè)和冷流體側(cè)的流動(dòng)傳熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式相同。當(dāng)[Re]<2 300時(shí)，[Nu]=4.089;當(dāng)2 300<[Re]<5.0×106、0.5<[Pr]<2 000時(shí)，采用Gnielinski傳熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)：

通過設(shè)計(jì)，初步確定了一個(gè)換熱功率為750 kW的超臨界二氧化碳換熱器，冷側(cè)流體和熱側(cè)流體均為超臨界二氧化碳（SCO），逆流換熱，熱側(cè)流體入口溫度為316.85 ℃，入口壓強(qiáng)為8 MPa，冷側(cè)流體入口溫度為183.85 ℃，入口壓強(qiáng)為20 MPa。設(shè)計(jì)的通道幾何結(jié)構(gòu)及板片數(shù)量如表1所示。

2 傳熱過程的數(shù)值計(jì)算

假設(shè)流量在換熱器通道內(nèi)均勻分布，數(shù)值模擬一組熱流體通道和冷流體通道內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。通道尺寸如表1所示，直徑為1.5 mm，通道間距為2.4 mm，通道長(zhǎng)度為100 mm，板片厚度為1.5 mm。建立計(jì)算區(qū)域的三維模型，對(duì)流體通道和固體區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖2所示，壁面附近網(wǎng)格加密。

換熱單元中熱流體和冷流體為逆流換熱，給定熱流體和冷流體的入口溫度、壓強(qiáng)和流量，熱流體和冷流體的出口為壓強(qiáng)出口邊界條件。流體與固體接觸的壁面采用耦合邊界條件，固體外表面為絕熱邊界。通過對(duì)比不同網(wǎng)格單元數(shù)的總換熱量、冷流體出口溫度和熱流體出口溫度，綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量與計(jì)算所需時(shí)間，選取的網(wǎng)格總數(shù)為744 250。

通過計(jì)算得到通道內(nèi)流體的溫度分布如圖3所示。隨著熱量由熱流體傳遞到冷流體，沿流動(dòng)方向，熱流體溫度逐漸降低，冷流體溫度逐漸升高。流體的速度分布如圖4所示，通道中心流速最大，流速沿徑向逐漸減小。

3 數(shù)值計(jì)算與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，理論計(jì)算按照式（3）和式（4）計(jì)算。對(duì)比結(jié)果如圖5所示，數(shù)值模擬得到的溫度分布與理論計(jì)算的溫度分布基本吻合，說明本數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確可行。

使冷側(cè)超臨界二氧化碳流動(dòng)的雷諾數(shù)固定不變，熱側(cè)超臨界二氧化碳流動(dòng)的雷諾數(shù)從2 500變化到24 293，分析雷諾數(shù)對(duì)流動(dòng)傳特特性的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，系統(tǒng)總傳熱系數(shù)隨[Re]增大而增大，數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的誤差在15%以內(nèi)。熱側(cè)的壓降隨[Re]增大而增大，冷側(cè)的壓降幾乎不受熱側(cè)[Re]的影響，如圖7所示，數(shù)值模擬得到的壓降與理論計(jì)算的誤差在10%以內(nèi)。

4 結(jié)語

基于微通道傳熱理論計(jì)算，初步設(shè)計(jì)了以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的板式換熱器的幾何尺寸，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)設(shè)計(jì)的板式換熱器進(jìn)行三維建模計(jì)算，得到超臨界二氧化碳在微通道內(nèi)的流動(dòng)傳熱特性。數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果能夠較好地吻合，換熱器總傳熱系數(shù)隨[Re]增大而增大，但壓降也隨[Re]增大而增大。

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