板式換熱器進口處液體分布器的數值模擬*

王傳偉 賈文廣 梁曉明 閆景路 張克銳

（青島科技大學 青島 266100）

1 引言

節能是低碳發展的第一戰略［1～2］。隨著單體裝置大型化的需求越來越高，管殼式換熱器面積要求不斷做大，加工難度，制造質量都難以保證［3～7］。全焊接板式換熱器在生活生產中是一個關鍵的設備，融合了集板式換熱器和管殼式換熱器的優點，一方面保留了板式換熱器高效、結構緊湊的特點，另一方面兼具管殼式換熱器耐高溫、高壓的特點，是一些特殊熱交換工藝中替代管殼式換熱器的最理想的設備［8～11］。但是對于寬流道全焊接板式換熱器的應用，仍然存在一定的問題，當流體通過法蘭接管進入板式換熱器內，由于流速和壓降原因導致流體未被均勻分布就與換熱芯體接觸，從而使冷熱流體剛進入換熱器內都未進行均勻分布，因此在該流程的換熱效果不佳，還可能生成部分死區，未能達到換熱芯體的充分利用，從而使熱量未能進行充分的換熱。針對全焊接板式換熱器所出現的這一問題的研究相對較少，所以本文所展現的是一種針對全焊接板式換熱器的新型分布器，該分布器能解決全焊接板式換熱器的流體分布不均情況。本文對分布器的數值模擬和分析，可以為研究分布器的研究員提供參考。流體通過該分布器，可以更好地使流體均勻分布，流至換熱芯體，使冷熱流體在該流程內接觸面積更廣，增加該流程的換熱，從而提升整個換熱器的換熱效率，更加接近設計結果。對于板式換熱器的液體分布器的均勻分布性評價標準較為重要，其中布液均勻性是衡量液體分布器效果的重要指標［12］。但通過對換熱器流量分配不均勻性得6種評價方法進行比較，采用相對標準偏差值衡量流量分配的不均勻性相對較為合理［13～15］。

2 液體分布器模型介紹

2.1 圓柱型液體分布器幾何模型

本文對于圓柱型液體分布器進行研究和改進，其結構的縱向長度為H，橫向是由長度為2L的板面沿中心線折疊而成，其中折疊角度為β，如圖1所示。其中橫向和縱向的長度根據不同的流程空間而確定，而傾斜角度的變換，圓柱孔直徑的大小都會對流體的均布情況產生顯著的影響。在具體的流程空間中可得到位置示意圖如圖2所示。

圖1 液體分布器幾何結構

圖2 板式換熱器進口處液體分布器的位置示意圖

在液體分布器制造過程中，我們要保證支撐板與液體分布器垂直焊接，再把液體分布器與支撐板垂直焊接到換熱器的盲板之上，保持流體方向與支撐板平行，并且與液體分布器的折疊處保持垂直。傾斜角度β可以使流體呈上下分布，而圓柱孔是流體的基本流動路徑，從而使流體分布更廣散。在一定程度上，液體分布器會使流體的流動情況趨于均勻化。在新型液體分布器中，流體流入芯體前相比于無液體分布器的流動情況，其均勻性更高。

2.2 液體分布器數學模型

本文進行模擬分析所依據的數學模型主要采用以下假設。

1）工作介質為連續不可壓的牛頓流體；2）忽略重力以及由于密度差異引起的浮升力；3）在給定流速下假定整個流動區域為穩態流動；

4）可認為介質流動為低速流動，忽略流體流動時的粘性耗散作用所產生的熱效應；

5）由于流速低、流體為不可壓縮的粘性流體，所以忽略壓力和溫度對流體比熱容和粘性系數的影響，將通道內的流體設為常物性。

本文的計算區域內流體流動與換熱的控制方程如下。

（1）連續性方程：

其中，ux、uy、uz為流體流動的速度分量，m/s。

（2）動量方程：

其中，ui為流體在i方向的速度分量，m/s；xi為所選坐標，m；ν為運動粘度，m2/s。

（3）能量方程：

其中，a為熱擴散率，m2/s。

本文在進行模擬時，選用RNG k-ε湍流模型。

2.3 液體分布器流場均布理論

本文采用相對標準偏差值Cv來定量評價斷面速度均勻性，其值越小表明數據越均勻，Cv的表達式為

2.4 液體分布器網格劃分

液體分布器利用SolidWorks軟件建立物理模型，首先導入Workbench軟件中Geometry模塊中對物理模型進行改進，然后導入ICEM網格劃分軟件中進行網格劃分如圖3和圖4所示，網格數量為213萬。

圖3 液體分布器網格劃分圖

圖4 板式換熱器入口流道網格劃分圖

3 模擬結果分析與討論

3.1 無液體分布器與圓柱型液體分布器模擬對比結果分析

本文設定無液體分布器和圓柱型液體分布器兩種情況下的入口流速均為0.50m/s，而兩種情況下的出口流速不同，分別為0.50m/s和0.38m/s。兩種液體分布器情況的對比結果如表1所示。

表1 液體分布器情況的對比結果

同無液體分布器的流體相比，由于圓柱型液體分布器存在大小排列的孔和板面折疊夾角，因此流過圓柱型液體分布器的流體與芯體的接觸面積較大。同時流體流經圓柱型液體分布器時，由于液體分布器具有使流體流量均布的特性，使得出口流速相對偏差值顯著降低，從而可以達到提高流體流量均布的效果。

3.2 圓柱型液體分布器情況模擬結果分析

本文對圓柱型液體分布器進行結果分析，物理模型的變量分別為孔的直接大小和板面的折疊角度β，其中孔的直徑分別為4mm、6mm、8mm，折疊角度分別為0°、15°、30°、45°、60°，在圓柱型液體分布器模擬中將變量分為四組，分別通過對流過孔處的流體速度進行監測，得到理論分析結果如表2所示。

表2 圓柱型液體分布器分析

根據表中所得分析數據顯示：當孔直徑大小相同時，對比圓柱型液體分布器四種不同的板面折疊角度，可以得出第二組的折疊角度為15°時的出口流速相對偏差值相對較低；當確定采用第二組板面折疊角度為15°的圓柱型液體分布器后，再對比三種不同的孔直徑大小，可以得出在確定板面折疊角度為15°的情況下，相比4mm和6mm的孔直徑大小，8mm孔直徑的出口流速相對偏差值較低。

因此，當液體分布器的折疊角度為15°，孔直徑大小為8mm時，流體流過圓柱型液體分布器后的均勻分布性相對較優。

4 結語

本文根據板式換熱在進行熱量交換熱時，流體經過接管進入換熱器會出現流體流量分布不均勻的情況，因此需要針對流體流量均勻性的研究提出一種較優的液體分布器情況。本文首先針對無液體分布器與圓柱型液體分布器兩種情況的模擬結果進行對比分析，確定流體流經圓柱型液體分布器的流量均勻分布性較優后，再對圓柱型液體分布器情況進行模擬結果分析，得出：

1）對圓柱型液體分布器通過SolidWorks軟件進行物理建模，利用ICEM網格劃分軟件進行網格劃分，最后用Fluent軟件進行數值模擬計算。在數值計算過程中，在液體分布器的適當位置處設置相應的監測點，從而在下文對液體分布器的相對偏差值Cv進行對比奠定了基礎。

2）基于相對偏差值Cv對比分析無液體分布器和圓柱型液體分布器的流體均布情況，結果表明圓柱型液體分布器的流體速度相對偏差值為8.6%，其均勻分布性相對于無液體分布器時明顯提高50%左右。

3）基于相對偏差值Cv對圓柱型液體分布器進行分析，分別對孔的大小和折疊角度為β進行數值計算與速度檢測，結果表明當液體分布器的孔直徑為8mm，折疊角度為15°時，其流體速度相對偏差值相對較小，僅為7.16%，顯著地提高了流體的流量均勻分布性。