氣氣正弦波紋板式換熱器模擬研究

房立偉,焦守一,房立帥,劉帥

(1.山東魯潤熱能科技有限公司,山東 濟南 250303;2.山東大學 能源與動力工程學院,山東 濟南 250061)

在能源動力、冶金工程、化工生產等重要的領域中,換熱過程都是必不可少的一部分,為了提高生產效率,人們對強化波紋板的傳熱效率的研究,一直都是極為重要的課題。隨著強化傳熱技術的研究和發展,換熱裝置也在逐步換代,在不斷地改進和優化中,換熱效率也在逐漸上升,又因為板式換熱器的體積并不大,易于安裝,價格低廉,換熱效率高,流阻低,尤其是其具有良好的換熱特性,能夠靈活地適應生產中的熱負荷變化,所以更受業內青睞,被廣泛應用,例如在相同大小的換熱面積下,板式換熱器的換熱量,比管式換熱器多一倍以上,而波紋板比平直板的換熱能力又大了數倍之多。而且,不同的板型對于換熱器的熱效率影響也很大,經過長期的理論研究,還有不斷的實踐,人們已經確定了板式換熱器的常規板型,也就是波紋板,在我們日常生產中有一些比較常用的波紋板型,如三角型波紋板、正弦型波紋板、以梯形交替的梯型波紋板、弧形波浪的弧型波紋板等,在這些造型迥異的波紋表面,最常用于生產加工的換熱裝置中的,是三角型波紋板和正弦型波紋板,因為據大量的實驗研究分析,這兩種形式的波紋通道,其換熱效率和經濟性指標是相對較高的。

自19世紀70年代板式換熱器問世以來,已有一百四十余年歷史[1]。在20世紀70年代,外國的板式換熱器就已經進入了發展的黃金階段,已經研發出了很多不同種類的板式換熱器[2],而在國內,由于生產力水平的限制和當時國際形勢的復雜變化,對板式換熱器的研究,比國外落后了幾十年,在20世紀70年代才開始進行相關技術的研究、設計,開始運用于一些工業生產領域,第一臺板式換熱器直到1965年才被成功制造出來[3],又過了二十余年,才在國內得到了較大的發展[4],并擴大到民用建筑,同時提高了在層數較高的建筑設施中的使用,并開始廣泛地被應用到了空調制冷等領域中[5-6]。

隨著現代科技的突破,更高精度設備的開發,生產制造技術的跨越式發展,新世紀以來,人們通過大量的實驗和仿真模擬,整理總結出了大量的實驗數據和理論實踐成果,推動了波紋板的改進,使板式換熱器換熱技術更加成熟,而目前作為板式以及板翅式換熱器的基礎性板型——波紋板,更是被廣泛地研究,研究表明,其各種不同的波紋通道中,正弦型和三角型的波紋板,具有較高的換熱效率,同時投入生產使用的成本相對較低。另外,大量對換熱阻力特性的研究,也為波紋板的優化和改進提供了理論與實踐數據支持。

Islamoglu[7]研究了空氣為介質的波紋通道,實驗結果表明,隨著通道上下板間高度的增加,Nu和摩擦因子f增大。Kanaris[8]對以空氣為介質的波紋微通道進行了數值研究,分析了內部的流場和應力分布,得出了波紋通道提高了換熱系數的結論。Grijspeerdt[9]等對正弦波紋板進行了兩維和三維的數值模擬,并根據可視化實驗結果,對模擬結果進行了定性驗證,指出模擬結果可以確定近壁高溫區,從而為板式換熱器的優化設計提供了指導。陰繼翔[10]等通過數值模擬獲得了人字形波紋板的波紋間距、波紋深度等形狀參數與努塞爾數和壓降之間的關系曲線,得到了人字形波紋板片的最優結構參數。張冠敏[11]開發了一種復合波紋板式換熱器,并進行了實驗和數值模擬研究,結果表明此種類型的換熱器,在類似的換熱性能下,其流動阻力更小。Fernandes[12]等建立了人字形正弦波紋板的一層流體模型,獲得了摩擦因子隨波紋高度比增大而增大的變化規律。馬學虎[13]指出波紋間距對傳熱效果的影響要高于波紋傾角和波紋高度。曲寧[5]提出了一種波浪形傳熱板片,并與人字形波紋板進行了數值模擬,新板片具有相近的換熱性能,但壓降減小了50%以上。郭春生[14-15]等提出了一種不同波紋比例的波紋板式換熱器,并結合場協同理論進行了換熱性能分析。

波紋板作為板式換熱器的核心部件,一直以來都是研究的重點,何種參數的波紋板板型傳熱能力最強,一直是人們不斷探索的課題,然而,由于影響波紋板傳熱能力的因素過多,不同因素的組合變換形式層出不窮,數據復雜多樣,對于波紋板的優化改進方向,依舊存在很大的研究空間,因此也一直是各國科學家、工程師研究的熱門課題,當前尚存在以下問題:

1)在正弦型復合波紋板不同的結構參數組合下,對氣氣換熱的流動阻力特性、換熱因子、綜合換熱性能等方面的研究較少,仿真數據不夠全面。

2)在雷諾數,努塞爾數,進出口速度等流動參數的變化下,氣氣換熱的流動阻力及換熱特性的對比數據較少。

1 數值模擬

波紋板作為介質的流動通道,承擔著介質之間傳熱的中介的作用,在氣氣換熱的情況下,一定溫度的介質從入口流入,通過波紋板的傳遞,從溫度基本恒定的外界介質中吸收熱量,溫度升高,再從出口流出。不同的流動參數,如雷諾數、入口速度、入口壓力等,會導致換熱能力的不同變化。因此,選定一組結構參數作為基準,即選定一組確定的縱橫比、波長比、間距比等結構參數,建立波紋板模型,選取不同的入口雷諾數,通過Fluent數據仿真模擬,對不同入口速度的介質流過波紋板后,其溫度變化、摩擦因子、壓降損失、換熱性能等隨之變化的規律進行分析。

使用建模軟件,根據不同的結構參數,分別進行模型建立,把入口設為inlet,出口設為outlet,上下壁面設為up-down-wall,前后壁面設為front-back-wall,并根據模擬要求劃分網格,網格物理偏好改為CFD,在網格插入多區域方法,進行源面設置,設置網格單元尺寸為0.15 mm,生成后,將膨脹應用到特定網格邊界,對上下及前后壁面應用平滑過渡的邊界條件,生成后模型如圖1,因為波紋板流道較為復雜,劃分網格時逐漸減小網格尺寸,細化調整網格,保證網格質量。

圖1 基準波紋板模型示意圖及網格情況

為檢驗網格無關性,可不斷調整網格尺寸,當努塞爾數在網格尺寸變化到一定程度時,能夠穩定在一定的范圍之內,不再有明顯的大范圍波動,就說明此時的網格密度符合數值模擬的精度要求。波紋板的網格劃分如圖1所示。

1.1 控制方程

根據波紋板的結構變化,以及實際情況中的流動換熱特性,本章進行的數值模擬可以根據以下假設:

1)在波紋板中的流動和傳熱過程是穩定的;

2)本章研究的是不可壓縮的、連續定常流動的牛頓流體,對于此類流體,可以應用無滑移的Navier-Stokes方程進行求解;

3)介質低速流動,忽略流體流動中的浮升力,以及黏度性耗散產生的熱效應;

4)物性參數為常數;

5)忽略壓力和溫度對流體實驗定參數,即比熱及黏度性系數等的影響;

6)波紋板上下壁面溫度恒定,設置為400 K;

7)假設入口流量是均勻的。

流體的連續性方程:

(1)

動量方程:

(2)

能量方程:

(3)

1.2 湍流方程

波紋板中發生湍流,即流體內部產生小漩渦,流層被破壞,每一點的無規則流體團,流動狀態都在不斷改變,速度大小和方向隨機變化,部分流層間滑動混合以復雜多變的無規律形式流動。湍流會增大阻力,影響實驗數值的精確測量,因此,在Fluent中使用Realizablek～ε模型,減小湍流對數值模擬的影響。

Realizablek～ε模型的湍動能方程為:

(4)

Realizablek～ε模型的湍動耗散率方程為:

(5)

在Fluent設置中,介質入口邊界選擇速度入口,其中把入口溫度設置為300 K,設置入口雷諾數分別為2 000,4 000,6 000,8 000,10 000,入口的湍流強度為5%,湍流黏度度比為10。在出口邊界條件,選擇抑制回流,能在出口出現回流時,有更好的收斂速度。對于波紋板的上下壁面,采用恒定的溫度邊界條件,溫度設定為400 K,無滑移速度。求解方案選用SIMPLEC算法,求解數據更加精確,對動量、湍流動能、湍流耗散率及能量,均采用SOU格式求解。

2 結果與討論

2.1 雷諾數對換熱性能的影響

圖2和圖3為計算所得基準波紋板的努塞爾數Nu和換熱因子j隨雷諾數Re的變化趨勢。由圖可知,Nu隨著Re的增大而增大,因此Re越大,對流換熱越強。對于充分發展的湍流流動,流速的增大會增大湍流度,進而強化近壁面流體與核心區域流體的摻混傳熱傳質過程。這是高Re數下,換熱系數較高的主要原因。相比其他類型的板式換熱器,正弦波紋通道的換熱性能較好,具有很好的應用前景。對于本文的研究結果,Nu基本與Re呈現線性增大的規律。主要的原因在于:充分發展的湍流狀態下,換熱系數基本與Re的0.8～1次方成比例,相關的公式可以由圓管內部充分發展湍流狀態下的DB公式獲得。雖然正弦波紋板片與圓管內部的強制對流換熱特性有一定的差異,但其本質上都屬于受限空間內的強迫對流,湍流對于換熱特性的影響規律基本類似。基于此規律,也有很多的波紋板式換熱器的預測公式,可以指導工業設計和生產以及結構參數的優化。

圖2 基準波紋板的努塞爾數Nu隨雷諾數Re的變化

圖3 基準波紋板的換熱因子j隨雷諾數Re的變化

而換熱因子j的變化趨勢不同,j隨著Re的增大而減小,且隨著Re增大,j的變化量越來越小。可知Re對j的影響隨著Re的增大而減弱,可以認為當Re足夠大,即流速足夠大的時候,在流道達到完全湍流狀態,j的變化趨于穩定,換熱能力趨于穩定。換熱因子j是換熱器設計中的重要參數,從其定義可以得出,j與Re的倒數成正比,也就對應著j隨著Re的增大而逐漸降低。在低Re工況,由于Nu隨Re的增大趨勢較為明顯,此時j隨Re增大而降低的趨勢更加顯著。在高Re工況,由于Nu隨Re的增大趨勢較為平緩,j隨Re增大而降低的趨勢也逐漸趨于平穩。換熱因子j是一個綜合的無量綱參數組合,主要由Re、Nu和Pr決定,其值的大小也更能反映換熱器的綜合性能,比單純的Nu所包含的影響因素更為全面,推薦在相關的波紋板式換熱器優化設計過程中,考慮采用j因子作為優化指標。

圖4為速度矢量云圖,可以看出正弦波紋板式換熱器內部的速度矢量變化規律。由圖可得,工質沿著波紋表面呈現曲折流動,主要的原因在于正弦波紋板片對于氣流的限制作用。在波紋板片的限制作用下,流體只能沿著波紋方向向前流動。與傳統的人字形波紋板片相比,正弦波紋板片的流場變化更加光順,流體主要沿著主流方向呈現蛇形彎曲流動。由于正弦波紋板式換熱器不存在波紋傾角,氣流基本沿著通道的長度方向流動,在寬度方向的折返流動較少。此種流型,雖然對換熱特性來說,缺少縱向旋渦的擾動,換熱性能有一定的損失。但在壓降方面卻有重要的優勢,由于流體順著波紋流動,導致流程相對較短。同時,無縱向旋渦的擾動,也進一步降低了正弦波紋板式換熱器的壓降損失。導致了本文研究的正弦波紋板式換熱器具有較好的綜合性能,即傳熱較好,壓降不大的特性,更適合用于氣氣換熱裝置中需要降低壓降的場景。尤其是針對鋼鐵行業的煤氣預熱器,在實際生產過程中,要求板式換熱器的壓降損失必須非常小,不能阻礙煤氣進入煉鋼爐膛,以免出現停機的現象。對于此種換熱需求,正弦波紋板式換熱器可以很好的滿足。

圖4 基準波紋板速度矢量圖

2.2 雷諾數對阻力性能的影響

圖5為進出口壓降ΔP隨Re的變化規律。可知ΔP隨著Re的增大而增大,且隨著Re的增大,ΔP呈增大趨勢。板式換熱器的壓降損失是其優化設計的重要參數,也是決定其適用工況的重要指標。對于氣氣換熱器,其應用領域常為生產過程中的余熱回收。由于換熱器與整個生產流程串聯,必須要求經過板式換熱器的壓降損失要足夠小,不能影響整個生產流程。對于本文所研究的正弦波紋板式換熱器,由于優秀的板片形式,其壓降損失較小。由圖6可得,在本文所研究的工況范圍內(2 000≤Re≤10 000),正弦波紋板式換熱器的壓降損失在50～450。根據實際的換熱需求,選定合理的流速,可以保證正弦波紋板式換熱器滿足相關的工業生產需求。與傳統的人字形波紋板式換熱器相比,正弦波紋板式換熱器對應的壓降損失更小,更適合作為氣氣換熱器,應用于生產過程中氣態余熱介質的回收,提升整個生產流程的經濟性,降低能耗,實現節能減排,助力“雙碳”戰略目標的實現。

圖5 基準波紋板的進出口壓降ΔP隨雷諾數Re的變化

圖6 基準波紋板的摩擦因子f隨雷諾數Re的變化

圖6為摩擦因子f隨Re的變化規律,可知f隨著Re的增大而減小,即Re越大,摩擦阻力越小,且隨著Re的增大,f變化趨勢減小。f的變化趨勢與j因子類似,均為隨著Re的增大而逐漸降低。與j因子的定義類似,f也是一個組合的無量綱參數,低Re下,Re對于壓降的增大作用較為明顯,導致f較高,隨著Re的增大,流速對于f的削弱作用更為明顯,導致f逐漸降低。

3 結論

利用數值模擬的方法,研究了正弦波紋通道內氣氣流動換熱特性,主要結論如下:

1)在一定條件內,雷諾數增大,努塞爾數和對流換熱系數不斷增大,對于充分發展的湍流流動,流速的增大會增大湍流度,進而強化近壁面流體與核心區域流體的摻混傳熱傳質過程。相比其他類型的板式換熱器,正弦波紋通道換熱性能較好,具有很好的應用前景。

2)工質沿著波紋表面呈現曲折流動,主要的原因在于正弦波紋板片對于氣流的限制作用。在波紋板片的限制作用下,流體只能沿著波紋方向向前流動。與傳統的人字形波紋板片相比,正弦波紋板片的流場變化更加光順,流體主要沿著主流方向呈現蛇形彎曲流動。導致了本文研究的正弦波紋板式換熱器具有較好的綜合性能,即傳熱較好,壓降不大的特性,更適合用于氣氣換熱裝置中需要降低壓降的場景。

3)進出口壓降增大,且曲線變陡;進出口溫差逐漸減小,趨勢變小;對流換熱系數變大;波紋板的換熱因子和摩擦因子都減小,最后趨于穩定。