1、第 卷总第 期 年 月第 期 节 能 技 术 .波纹型螺旋板式热交换器的传热性能研究江学静刘 娇叶志强范 兰许 琦(.盐城工学院机械工程学院江苏 盐城.盐城工学院产业技术研究院江苏 盐城.盐城兰丰环境工程科技有限公司江苏 盐城)摘 要:目的:本文将波纹结构应用到螺旋板式换热器设计中使流道为“非平行换热通道”增大流体垂直于壁面方向的速度分量提高螺旋板式换热器的综合性能 方法:通过正交试验应用有限元分析软件模拟九组波纹板参数组合的波纹型螺旋板式热交换器的阻力和传热性能 结果:在九组试验中当雷诺数为 波纹半径为.、波高为.和波距为.时波纹型结构螺旋板式热交换器的综合评价系数是.波高对综合性能影响最大
2、波距次之波纹半径最小归纳总结得到/与 的准则关系式 结论:波高 为影响综合评价系数的主要因素 雷诺数在 区间内波纹结构对螺旋板式换热器的综合评价系数具有积极影响有利于提高螺旋板式换热器的综合性能关键词:波纹结构螺旋板式热交换器努塞尔数阻力系数综合评价系数传热数值模拟中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期 修订稿日期 作者简介:江学静()女硕士研究生研究方向为建材机械及环保装备设计与制造 (.):“”.:.:./.:.:引言螺旋板换热器()是一种高效的换热器由于其紧凑的设计传热效率高自清洁能力强占地面积小等优点广泛应用于化工、食品和电力等行业 螺旋板换热器的换热介质平行于壁面影响边界层传
3、热效果 对于螺旋板换热器许多学者研究定距柱结构对换热器性能的影响设计了紧凑蜂窝结构、心三角翼涡流发生器与圆柱组合、螺旋曲面三维肋、翅片凹坑蜂窝等不同结构 也有学者研究了结构参数(如通道间距、螺旋长度、螺旋宽度和壁厚等)对传热性能的影响 有学者编写代码优化螺旋板换热器的几何形状参数 甘留意等研究了缩放结构的换热板对螺旋板式换热器换热特性的影响 等采用计算流体力学()和场协同原理研究了数值模拟逆流螺旋板式换热器在层流状态下的换热性能 等将线圈插入平行板以强化传热 等学者研究了不同角度人字形波纹对换热器换热效率的影响 对螺旋板换热器的换热元件的外压稳定性、强度和刚度也有所研究目前对于螺旋板式换热器的
4、换热板元件研究较少且换热能力还可以进一步得到提高 本文将换热板件的结构设计为波纹结构研究波纹参数对换热性能的影响通过被动式强化(无源强化)增大湍动程度减薄温度边界层强化换热提高换热能力 波纹型螺旋板式热交换器的结构设计波纹型螺旋板式热交换器()的整体结构与传统的螺旋板式热交换器相同如图 中()所示 不同之处在于 的换热元件是由一块波纹结构的换热板件和一块光滑的换热板件相互卷制而成如图 中()所示 为了简化研究的影响因素设计流道模型为无定距柱如图()所示图()波纹型螺旋板式热交换器()换热元件()波纹型流道结构 本文选取最内侧局部的流道模型作为模拟对象流道高度 为 流道宽度 为 选取 圆弧流道模
5、型如图 所示图 流道模型结构图根据国家和行业标准 选定波纹的相关参数对波高、波纹半径 和波距 进行三因素三水平的正交试验模型模拟参数如表 所示表 波纹型螺旋板式热交换器波纹板参数正交表.波高/波纹半径/波距/.模型验证.基本控制方程传热基本方程 ()式中 传热速率/总传热系数 传热面积 对数平均温差/对流场做出如下假设:流体为不可压缩液体流体物性保持稳定满足动量守恒和能量守恒忽略流体重力流体是各向同性的连续性介质流道壁面是无滑移壁面传热数值模拟分析首先要满足三个基本控制方程分别是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程具体方程如下:质量守恒方程()()()()式中 流体密度 流体流动时间、和
6、速度矢量 在、和 方向上的速度分量假设本模拟中流体为不可压缩的液态水因此 为常数公式()整理为()动量守恒方程()()()()()()()()()式中 流体微元体上的压力 因分子粘性而产生的作用在微元体表面上的粘性应力、和 等 的分量、和 微元体上的体力若体力只有重力且 轴竖直向上则、和 能量守恒方程 ().模拟条件本文采用有限元分析中的 仿真模块对流道模型仿真模拟计算 如图 所示模型边界条件和模拟算法设置如下:()液体介质入口()流体介质为水入口速度 取./温度 ()出口为自由出口()()上下壁面为对称边界条件()()前后壁面为无滑移壁面()恒温壁面 ()求解器为三维双精度()()湍流模型(
7、)为 模型近壁面函数为放缩壁面函数()()求解算法为 压力离散格式为!格式其他离散格式均为二阶迎风格式()图 流道模型边界条件.性能评价方法等泵功评价方法在螺旋板式热交换器中已经得到了广泛应用它综合考虑了换热系数和阻力系数在相同的输送功率下通过评估努塞尔数()和阻力系数()比较换热器的综合性能的优劣主要的公式如下()()()/(/)()式中 波纹型螺旋板式热交换器的努赛尔特准数 流道截面的当量直径/热传导系数/()对流换热系数/()热通量/波纹型螺旋板式热交换器的阻力系数 进出口压降/流体密度/流道长度/平均速度/螺旋板式热交换器的综合性能评价系数 普通螺旋板式热交换器的努赛尔特准数 普通螺旋
8、板式热交换器的阻力系数.模型合理性验证本论文使用 中 软件应用六面体网格划分模型如图 所示图 网格划分示意图为了保证计算结果的准确性同时又可以节省计算资源需要选取适当的网格大小 在雷诺数为 条件下对 组网格努塞尔数的模拟计算如图 所示 网格数约为 万与约为 万时努塞尔数仅相差.与经验值仅相差.数值模拟时选取网格尺寸为.(网格数为 万)图 网格无关性验证为了保证边界条件和求解算法设定的合理性选用速度./将 组速度模拟计算的结果与基于实验推导的关联式的计算结果相比较 研究学者对不同结构的螺旋板式换热器的性能进行了大量的实验研究最终总结了螺旋板式换热器冷却水被加热端的给热系数()关联式见式().()
9、图 不同雷诺数下 经验值和 模拟值如上图 所示将基于实验获得的关联式计算出的 值与模拟计算的 值进行对比分析最大误差为.小于 说明模拟实验的条件设置和算法设置是合理的 数值模拟结果分析.波纹型螺旋板式换热器流场分析波纹结构可以改变传热介质的流动路径将无波纹 传热通道中平行于壁面流动的传热介质改变为与壁面成一定角度的混合流动如图 所示各波纹结构有助于扰动换热流体的运动状态在换热壁面上产生旋涡增大换热介质垂直于壁面的流速减薄换热板表面的温度边界层强化换热.波纹板参数对努塞尔数、阻力系数和综合评价系数的影响分析正交表中的九组实验数据雷诺数在 范围内不同波纹板参数的 努塞尔数大于无波纹的 的努塞尔数的
10、增长速率比无波纹的 的努塞尔数增长的速率大雷诺数在 范围内 组波纹组合参数的努塞尔数几乎重合换热效果相差不大雷诺数在 范围内换热能力得到明显改善如图 所示()流道壁面流体迹线图()流道界面流体迹线图()波纹流道速度矢量图图 /时流道换热流体流线图图 不同雷诺数下的努塞尔数 不同波纹板参数的 的阻力系数均大于无波纹的 波纹结构增大了流体摩擦阻力和涡流阻力导致阻力系数增加如图 所示 在雷诺数小于 时雷诺数对阻力系数影响较大阻力系数较高 当雷诺数在 时 和 的阻力系数变化趋势变缓雷诺数对阻力系数的影响变小图 不同雷诺数下的阻力系数 雷诺数在 和 时阻力损失在综合评价系数中占主导作用 组波纹结构的综合
11、评价系数整体上小于 的性能优于 的性能雷诺数在 时传热性能在综合评价系数中占主导作用波纹结构的综合评价系数大于 的性能优于.的综合评价系数在 组中最优如图 所示图 不同雷诺数下的综合评价系数对九组试验进行了传热数值模拟得出各组试验的最大综合评价系数 如表 所示 的值越大代表该因素对综合评价系数的影响越大分析表明波高影响最大波距次之波纹半径最小 由 可以判断出(波纹半径为.、波高为.和波距为.)综合性能最好是 的.倍.准则关系式波高 是影响换热器性能的主要因素为了进一步总结波高 对 给热系数的影响规律将本文螺旋通道间距 和波高 进行无量纲化分析本文中设计的换热器为液体介质的热量交换并且在换热过程
12、中无相变现象产生参考换热器设计手册中螺旋板式换热器的给热系数的通用公式见()()式中、常数 水的动力粘度 在壁温下的动力粘度表 试验结果分析表编号因素综合评价系数 波纹半径/波高/波距/.极差.其中:是每一列因素在各个水平所对应的综合评价系数 之和 是这三行每个水平对应的平均值 是每列 中最大值与最小值之差当 普通螺旋板式换热器的对流换热系数见()./.()由公式()和()将()整理得到给热系数准则关系式./.()/对给热系数的影响准则关系式见式()()对波纹型螺旋板式换热器不同波高 数值模拟 当雷诺数为 应用 中 的方法归纳通道高度 为 和五组波高 为./的准则关系式见式()与式()和()相
13、比式()准则关系式的系数和指数与其数量级一致证明了模拟结果的可靠性 .()将计算模拟值与准则关系式的计算值进行误差分析模拟值与准则关系式曲线几乎重合如图 中()所示 最大误差为.如图 中()所示准则关系具有较好的准确性图 ()不同雷诺数下的模拟值与准则关系式的相关曲线()误差分析 结论()应用波纹结构的换热板将平行流改变为混合流增大流体在壁面的速度分量有效扰动换热介质的运动状态加快壁面至流体主体的热量传递使换热效果得到加强()通过正交试验得到了最优组合为.最大综合评价系数为.雷诺数在 范围内波纹结构有助于改善螺旋板式换热器的综合性能()波纹高度对波纹型螺旋板式换热器的综合性能影响最大波距次之波
14、纹半径影响最小 对波高进行无量纲化拟合归纳通道高度 和波高 的准则关系式并将准则关系式与模拟值进行误差分析最大误差为.准则关系式具有较好的准确性参考文献祝新红.螺旋板换热器在甲酯生产中的应用.当代化工():.():.:():.():.():.宋虎堂李培宁.蜂窝紧凑结构螺旋板换热器.北京:化学工业出版社:.():.戴玉龙王翠华.三角对翼和圆柱组合强化螺旋通道换热的数值研究.山东化工():.董华东苗焕王鑫等.几种不同蜂窝紧凑型螺旋板换热器的性能研究.轻工科技():.():.李越胜梁嘉林甘云华等.基于周期流模型的螺旋板换热器流动换热特性数值模拟.节能技术():.:.():.():.():.甘刘意陆怡查涵清等.新型螺旋板式热交换器及其传热特性研究.流体机械():.:():.():.():.():.吴京祥王志辉王兆峻等.基于 的金属波纹管成形分析及应用研究.机械工程师():.陆怡刘欢卫渊钊等.定距柱正方形排列的螺旋板式换热器的外压稳定性研究.工设备与管道():.刘宝昌.螺旋板换热器板片强度和刚度数值分析技术研究.北京:北京化工大学.螺旋板式热交换器.公路涵洞通道用波纹钢管(板)佚名.螺旋板换热器流体阻力及传热研究.大连理工大学学报():.吴帅.螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究.兰州:兰州交通大学.钱颂文.换热器设计手册.北京:化学工业出版社.