波纹翅片板翅式换热器换热与阻力性能_吴晓芸.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：作者简介：吴晓芸（），女，硕士研究生，研究方向为节能技术，电话：，：；袁益超，男，博士，教授，通信联系人，：。传热过程及设备波纹翅片板翅式换热器换热与阻力性能吴晓芸，袁益超（上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海）摘要：为研究翅片结构对波纹翅片板翅式换热器换热与阻力性能的影响规律，在模化实验验证的基础上，对 种波纹翅片的性能进行数值模拟。结果表明：翅高 时，其对换热与阻力性能影响较小；翅高 时，随 增大，换热性能先提高（、时分别提高 、）后降低（、时分别降低.、），阻力性能先降低（、时分别降低、）后提高（、时分别提高 、）。随翅片间距 增大，换热性能在低雷诺数时降低（时降低 ），在高雷诺数时提高（时提高 ），阻力性能降低（、时分别降低 、）。随翅片振幅 增大，换热性能提高（、时分别提高、），阻力性能降低（、时分别降低、）。随波长 增大，换热性能降低（、时分别降低 、），阻力性能提高（、时分别提高 、）。获得了传热因子、摩擦因子 与翅片结构参数及雷诺数 的关联式。关键词：板翅式换热器；波纹翅片；传热因子；摩擦因子；数值模拟；模化实验中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：（），（），（）（），；（，）（，），（.，）（，），（），（），（，），（，）（，），（，）（，）（）（）：；化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：板翅式换热器因结构紧凑、性能优异而被广泛应用于航天航空、动力机械、空气分离和石油化工等领域，其多种翅片型式满足了不同场合的换热和阻力性能需求。如应用于空分设备的多孔翅片和锯齿翅片、应用于车用发动机散热的平直翅片、波纹翅片和百叶窗翅片。其中，波纹翅片壁面曲折但不含间断，不易积垢，且其对流体的扰动使边界层变薄或边界层生长受到周期性破坏，提升换热性能，故国内外学者对其性能进行了大量研究。等通过实验研究，得到了 种波纹翅片的传热因子、摩擦因子 随 的变化规律。文键等数值模拟研究得到了翅高、翅距、翅厚、波纹幅度 和波纹尺度 对、的影响。等数值模拟研究得到了 、和 等对、的影响规律。等基于 种波纹翅片的实验研究，得到了翅距 和翅高 对、的影响规律。综上，翅高、翅距、双波高、波纹长度等对 与 的影响是波纹翅片板翅式换热器性能研究的重点。不同研究的结构参数及工况范围不同，故结论有很大差异。且波纹翅片结构参数对、影响的协同形式尚无一致认同。为此，文中采用模化实验与数值模拟相结合的方法进一步研究波纹翅片结构对换热与阻力性能的影响，以便为其结构与性能优化提供依据。数值模拟 物理模型与结构参数研究的波纹翅片通道结构如图 所示。为研究翅高、翅距、双波高、波长 对波纹翅片换热与阻力性能的影响规律，对表 中 种翅片模型进行数值模拟。图 波纹翅片通道结构 表 模型主要结构参数 模型翅高 翅距 翅厚 双波高 波长 参考翅片常用规格及文献选取、和 的变化范围，而 值的选取主要为了从较宽范围考察波纹特征变化对翅片性能的影响；为确保通道内流动充分发展，所有模型的波纹数为，翅片长度为 。数学模型及数值模拟方法因翅片结构的周期性，故选取波纹翅片一个单元作为计算区域，见图，采用 进行数值模拟，选用标准 模型，方程对流项和压力项均采用二阶迎风格式对连续性方程、动量方程、能量方程进行离散，采用 算法求解压力与速度的耦合，各项收敛残差均设置为。边界条件计算区域边界条件设置如图 所示。其中，空气进口设为速度入口，温度为 ；空气出口设为自由出流；翅片通道上、下内壁设为恒壁温 ；进、出口延长段上、下内壁均设为绝热面；单元两侧均设为周期边界条件。空气密度与动力黏度均为温度的函数。吴晓芸等 波纹翅片板翅式换热器换热与阻力性能 投稿平台：网格划分及无关性验证采用非结构化四面体网格对计算域进行网格划分。因翅片表面速度梯度和温度梯度较大，故对翅片表面网格进行加密处理。用 种网格数量（、）对表 中模型 进行模拟，结果表明：、的最大差异分别为和，网格数量对结果的影响很小。最终选用 网格的方案进行数值模拟。数值模拟数据处理方法以不同入口流速下的 与 表征芯体换热与阻力性能，即（）（）（）|（）其中（）（）（）式中：为对流换热系数模拟值，（）；为空气质量流量模拟值，；为流速模拟值，（）；为平均温度下空气比定压热容，（）；为普朗特数；为动力黏度，；为芯体长度，；、分别为进、出口空气密度及平均密度，；、分别为进、出口压力和进、出口延长段沿程阻力，；为模拟换热量，；为空气与壁面的对数平均温差模拟值，；为模拟翅片表面效率；为芯体传热面积，；为芯体流通截面积与迎风面积之比；、分别为芯体进、出口局部阻力系数，根据通道内 及截面比 确定；、为进、出口风温，。通道内空气雷诺数 为 （）其中，当量直径（）（）（）实验系统与验证 实验系统为验证数值模拟结果的准确性，应用等雷诺数法对两侧均采用表 中模型 波纹翅片的板翅式换热器试件进行实验。实验系统如图 所示。试件热空气质量流量 由喷嘴流量箱测得()（）式中：为开启的喷嘴喉部直径，；为开启的喷嘴流量系数；为喷嘴喉部空气密度，；为喷嘴前后静压差，；为开启的喷嘴数量。引风机；电加热器（热空气）；热电偶网；试件；喷嘴流量箱；鼓风机；电加热器（冷空气）；毕托管图 板翅式换热器换热与阻力性能实验系统 采用毕托管测量冷空气流量。毕托管所在截面静压、喷嘴进口静压采用精度 级的 型绝压变送器测量；喷嘴、试件进出口阻力及毕托管动压采用精度 级的 型差压变送器测量；毕托管及试件进、出口、喷嘴进口处空气温度采用经标定的铜康铜热电偶网测量。所有仪表信号均由 型模块采集后经 型隔离转换器转换为数字信号输入计算机进行计算。当冷、热空气的吸、放热量误差在 以内时，认为实验工况已稳定，可进行数据的采集和存储。实验数据处理方法基于热空气侧传热面积的总传热系数 为 （）（）|（）式中：为热空气放热量，；为热、冷空气对数平均温差，；、分别为冷、热空气侧对流换热系化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：数，（）；、分别为冷、热空气侧传热面积，；为隔板厚度，；为隔板材料导热系数，（）；、分别为冷、热空气通道翅片表面效率，将、分别代入下式中 即可得到、。|（）式中：为翅片材料的导热系数，（）。因试件冷、热侧翅片结构相同，故、仅与两侧的 有关。实验中冷、热侧 相同时，两侧 相同，故冷、热侧对流换热系数、分别为（）（）式中：、分别为冷、热空气通道内的质量流速，（）。联立式（）（），可迭代得到不同 对应的。对于试件热侧，不同 下 为 （）（）|（）式中：、分别为试件热空气侧进出口压差和进、出口延长段沿程阻力，；为试件芯体长度，。实验验证模化实验与数值模拟结果对比如图 所示。图 数值模拟与模化实验结果对比 可见，、均随 增大而减小。这是因为 （），而 与 的略低于一次幂成正比，故 与 成反比；又因阻力随 的增幅小于惯性力的增幅，故 与 成反比。实验与模拟所得、差异分别为 .和 ，其主要原因为：模拟结构表面光滑平整，而实际制造会有偏差；模拟时各通道空气流量相同，而实验时试件流量分布并不均匀；模拟假定壁温恒定，而实验时沿流程气流温度变化、翅片和隔板存在各向导热。不过，两者结果趋势相同且差异小于，故认为该数值模拟方法对波纹翅片换热与阻力性能的研究是可行的。数值模拟结果及分析 翅片高度 对 与 的影响翅片高度 对、的影响如图 所示。可见：当 时，流速随 增大而降低，扰动减弱、边界层增厚，换热性能与阻力降低；而弯曲通道中因存在二次流，故 在一定范围内的增大会促进二次流的产生及其影响范围扩大，如图 所示，换热性能与阻力提高；共同作用导致翅高变化对、的影响较小，与文键等对于翅高 时所得结论类似。当 时，因二次流影响较强且范围渐扩，至 时最大，随后减小，如图 所示，故、先增大后减小。图 不同 时翅片高度对波纹翅片 与 的影响 吴晓芸等 波纹翅片板翅式换热器换热与阻力性能 投稿平台：图 不同翅片高度时波谷截面速度云图 翅片间距 对 与 的影响翅片间距 对、的影响如图 所示。可见：，较小时，随 增大，二次流扰动增强、边界层增厚，共同作用导致 先减小后增大；且随 增大，二次流扰动的影响不断增强，随 变化的拐点提前，至 、时二次流的影响起主导作用。时，二次流影响范围扩大但流速降低、扰动减弱，而边界层的影响增大，导致 基本不变。图 不同 时翅片间距对波纹翅片 与 的影响 时，通道狭窄限制了二次流和涡流的产生，随 减小锐减；时，主要受边界层增厚影响，缓慢增大；时，二次流的影响为主且范围增大，因子增速提高；时，二次流影响范围增大但流速降低、扰动减弱，而边界层影响增大，增速减缓。双波高 对 与 的影响双波高 对、的影响如图 所示。可见：波长 相同时，增大使翅片的波纹特征更明显，波谷处涡旋影响范围更大，如图 所示，扰动增强。故 时，、均随 增大而提高，且增幅更明显。文献也得出了相同结论。而 在 处的拐点，可能是弯管内小扰动导致的不稳定流动所致。图 不同 时双波高对波纹翅片 与 的影响 图 翅片双波高不同时通道内流体速度云图 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：波长 对 与 的影响波长 对、的影响如图 所示。可见：双波高 相同时，愈小，翅片的波纹特征更明显，且对波纹特征的影响也更大，扰动增强。故随着 的增大，、均逐渐减小，并趋于基本不变，与文献的结论一致。图 不同 时波长对波纹翅片 与 的影响 与 的关联式根据数值模拟结果及前文的分析，可拟合得到以下关联式 时，（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）时，（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）上述关联式应用范围：，。其预测结果与数值模拟结果的对比如图 所示，、的最大相 对 误 差 分 别 为 、。关 联 式（）（）的相关系数 分别为 、.、.、。图 关联式预测值与数值模拟结果对比 结论（）翅高 时，换热与阻力性能随翅高变化不大；翅高 时，随 增大，换热性能先提高（、时提高 、）后 降 低（、时 降 低.、）；阻力性能先下降（、时降低 、）后提高（、时提高 、）。（）翅距 时，随 增大，换热性能在低雷诺数下降低（时降低 ），在高雷诺数下提高（时提高 ），阻力性能降低（、时降低 、）。（）双波高 时，随 增大，换热性能提高（、时分别提高 、【下转第 页】张海俊等 活性炭复配氨基酸强化的甲烷水合物动力学 投稿平台：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：陈玉龙 氨基酸促进甲烷水合物形成的机理研究 广州：华南理工大学，（）：【上接第 页】），阻力性能降低（、时分别降低 、）。（）波长 时，随 增大，换热性能降低（、时降低 、）、阻力性能提高（、时提高 、）。参考文献：陈长青，沈裕浩 低温换热器 北京：机械工业出版社，王松汉 板翅式换热器 北京：化学工业出版社，钱颂文等译 换热器设计手册 北京：中国石化出版社，：，文键，王春龙，刘华清，等 板翅式换热器波纹翅片性能数值模拟及其优化 高校化学工程学报，（）：，（）（），：，（）：，（）：，：，（）：周昆颖 紧凑换热器 北京：中国石化出版社，：欧阳新萍，陶乐仁 等雷诺数法在板式换热器传热试验中的 应 用 热 能 动 力 工 程，（）：孔珑 工程流体力学 版 北京：中国电力出版社，：，（）：，（）：