波紋板式換熱器的數值模擬
                         藍少健1,朱冬生1,鐘家淞2,趙　強1
    (1.華南理工大學化學與化工學院傳熱強化與節能教育部重點實驗室,廣東廣州　510640;2.廣東萬和集團,廣東佛山　528305)
    摘要:以波紋板式換熱器作為研究對象,通過流體力學(CFD)軟件,對波紋板內、外流體流動進行了數值模擬研究。板內流體流動研究表明,流體在板內流動時存在流動死區,在這些區域里傳熱效果很差,導致板壁面出現熱點。板間煙氣流動研究表明,板片的凹凸波紋結構,起到了強化煙氣側傳熱的作用,其中凸波紋的作用要明顯優于凹波紋,同時波紋板片式換熱器的凹波紋區域存在一定的煙氣脫體現象。該數值模擬研究結果對提高波紋板式燃氣熱水器的換熱效率有一定的指導意義。
    關鍵詞:波紋板;傳熱;數值模擬
    中圖分類號:TQ 051. 5　　　文獻標識碼:A　　　文章編號:1005-9954(2010)08-0018-04
    在燃氣熱水器中,普遍采用的是銅翅片管換熱器作為煙氣-水換熱器。雖然翅片管換熱器具有結構緊湊、傳熱系數大的優點,但由于翅片側的流動阻力大,對傳熱性能有很大影響,而且在其制造加工方面也存在成本和難度高等問題[1-3]。本文采用新型的波紋板式換熱器對熱水器進行節能技術改造,以期進一步提高設備效率,提高燃氣熱水器的綜合性能。波紋板式換熱器是一種具有典型原表面結構的全焊接板式換熱器[4-5],其結構特點非常適合用做燃氣熱水器的煙氣-水換熱系統。基于其擴展表面發達、傳熱系數高、成本低(不銹鋼材料)、不存在接觸熱阻等優點,對研究其在熱水器上的傳熱性能意義重大。利用FLUENT商業軟件,建立了燃氣熱水器主要換熱元件———波紋板式換熱器板內外流體流動的計算模型,并利用該模型分析波紋板式換熱器的傳熱與流動性能。
    1·物理模型
    1.1　板內流體流動的物理模型
     本文研究的板型為直流道交錯流波紋板。在合理簡化實物模型的基礎上,建立了波紋板內流體流動的三維物理模型,如圖1所示。
            
    1.2　板間煙氣流動的物理模型
    由圖1可知,在沿著流體流動方向上,波紋板的凹凸結構呈周期性變化,因此,板間的空隙結構也是呈周期性變化的。本文選取2個具有代表性的截面(垂直于板內水流方向),即凸紋截面和凹紋截面,對板間煙氣的流動和傳熱性能進行數值模擬研究。在對實物模型進行合理簡化的基礎上,建立了高溫煙氣在板間流動的二維物理模型,如圖2所示。
            
    2·數學模型
    2.1　板內流體流動數學模型
    本文結合波紋板內的流動和換熱特點,對流經換熱板片通道內的流體進行如下假設:①流體為不可壓縮流體即牛頓流體;②忽略流體流動時的黏性耗散作用所產生的熱效應;③忽略流體重力的影響,并且假定流體的物性不隨溫度變化;④流體進口速度假設為已知,進口壓力及出口速度為自由邊界條件。流體控制方程可參考有關計算流體力學或傳熱學教科書。
    2.2　板間煙氣流動數學模型
    板間煙氣必須滿足基本控制方程,另外,由于煙氣的流動路徑復雜,雖然煙氣通道很薄,但由于流動在進入波紋板式換熱器前充分發展,因此,流動為湍流,應采用標準k-ε湍流模型,保持模型中的各參數值不變。
    3·邊界條件
    3.1　板內流體流動邊界條件處理
    入口邊界條件:入口流速0. 6 m/s,模擬中板的進水溫度設定為297 K(以上各條件是熱水器在額定工況下的參數)。從入口邊界測量的數據估算出湍流強度為5%和水力直徑為11. 6 mm來描述湍流量[6]。出口邊界條件:當模擬介質流動出現回流的時候,使用壓力出口邊界條件代替質量出口條件常常有更好的收斂速度[7]。因而出口邊界條件采用壓力出口條件,設定為100 kPa的表面壓力,此時出口處的流體速度和溫度為自由邊界條件。壁面條件:壁面邊界條件用于限制流體和固體區域。默認情況下壁面厚度為0,在解能量方程時,需要在壁面邊界處定義熱邊界條件。本文中設定壁面為恒熱流密度邊界。
    3.2　板間煙氣流動邊界條件處理   入口邊界條件:煙氣入口溫度900 K,入口速度為2. 2 m/s(以上各條件是熱水器在額定工況下的參數)。出口邊界條件采用壓力出口條件,設定為100 kPa的表面壓力。水側處理為熱流邊界,即設置熱流為一定值的熱源。
    4·計算結果及討論
    4.1　板內流體的模擬結果和分析
    圖3與圖4分別是板內流體速度分布矢量圖與壓力場分布圖。從圖中可以看出,在板入口處水流分布比較均勻,當進入波紋區后速度的方向和大小開始隨波紋的變化而改變。在凸紋處,由于空間的突然增大水流速有所下降,但流動方向的改變也增大了沿壁面方向的速度分量,有效地減小了協同角起到強化傳熱的作用;在凹紋處,由于流通截面變窄水流速有明顯的增加(速度高于入口處)。在靠近板的上邊沿和下邊沿處,由于沒有波紋結構流動阻力較小,因此水的流速很高,這也保證了無波紋區域的換熱效果。同時,還注意到,沿水流方向上二凹紋之間存在一個低流速區域,這個區域里水流速度很低,而且存在旋渦,這部分水流速低、更新慢是板內換熱較差的區域。
             
    圖5是板內流體流動時溫度場的分布情況。從圖5可以看出,板表面的溫度分布比較均勻,保持在343—353K之間。在二凹紋之間的區域存在一些溫度較高的熱點,這是由于在二凹紋間流體的流速低、更新慢,是傳熱較差的區域,因此這個區域的板表面溫度要略高于其他區域。相反,在凸紋區域和流速較高的板上下兩端,由于傳熱效果好其溫度要略低于板主體區域。
             
    由于本文所用波紋板束換熱器實物共有3組板管,這里對板內的流動和傳熱過程再進行2次相同的模擬,以前次的流體出口溫度作為下次的入口溫度,其他條件不變,最終的模擬結果見圖6。從圖中可以看出,流體經3束板換熱后,出口溫度可以達到323 K左右,這樣,換熱器整體的溫升可以達到28K,這個溫升已經達到國標[8]中關于熱水器在額定工況下的工作能力。
            
    4.2　板間煙氣的模擬結果和分析
    對煙氣在板管間的流動模擬結果如圖7—8所示,圖9則為板管間的壓力分布結果。
             
    煙氣在剛進入板片間通道時,速度均勻分布。進入波紋區域后,由于凸紋截面和凹紋截面的結構特點存在明顯差異,速度分布各有特點。對于凸紋截面,當煙氣遇到第1排波紋時,迎風部分從駐點開始流速逐漸增大,靜壓下降,從而形成順壓梯度,邊界層流動能保持穩定,煙氣貼板壁面流動。煙氣繞過板壁到達背風面時,流動截面逐漸變大,流速變慢,靜壓逐漸增大,因此,產生逆壓梯度,并且逆壓梯度逐漸增大。在黏性的阻力作用下,貼近壁面的質點速度很低,動能較小,無法克服逐漸增加的逆壓差,即邊界層內的流體維持不了向前的流動,而是在固體壁面和外勢流之間堆積起來,回流區沿外方向不斷向外擴展,外勢流愈來愈被推離板表面,從而形成了邊界層的分離。從圖7可以看出,在二凸紋之間的凹陷區域,出現輕微的煙氣脫體現象。流過第1排凸紋的煙氣受到第2排凸紋的影響,在第2排凸紋的迎風面貼體流動,速度開始增大,截面最窄處達到速度最大值,繞過板壁到達第2個背風面,重復之前出現的脫體現象。
    凹紋截面波紋結構比較簡單,煙氣的通道平直且較凸紋截面寬。煙氣速度在該截面分布較為均勻,板管間速度約為4 m/s,板管與外壁間速度約為2. 8 m/s。在煙氣流經該截面的凹紋區域時,也出現了類似于凸紋截面的煙氣脫體現象,其原因類似于前者。對比圖9中的2幅云圖可以發現,凹紋截面的脫體現象比較明顯。
    4.3　傳熱特性分析
    圖10是煙氣繞流板片的溫度場分布。從圖中可以發現,對于凸紋截面,當煙氣繞流過第1排波紋后,溫度降至750 K左右,經過第2排波紋后溫度降到640 K,當經過第3排波紋到達出口處時,溫度已接近500 K,在板管上方的區域由于煙氣與水換熱的緣故,溫度進一步降低到430—450 K。對于凹紋截面,換熱性能要相對差一些,板管間的煙氣出口溫度達到了550 K以上。造成這種現象的原因如下:凸紋截面板管間的結構類似于波紋管,呈縮放狀,煙氣在這樣的通道中流動時會形成許多小的局部旋流,這增大了沿溫度梯度方向的速度分量,減小了速度場與溫度場的協同角,有效地強化了煙氣的傳熱。而凹紋截面板管間的結構比較平直,煙氣流過這樣的通道時中心到板壁面的溫度梯度比較大,換熱效果差。
             
    5·結論
    在合理簡化的基礎上,建立了波紋板板內流體流動和傳熱的三維模型,從溫度場、壓力場、速度場3個方面分析了板內的流動和傳熱情況。模擬分析的結果表明:流體在板內流動時存在流動死區,在這些區域里傳熱效果很差,導致板壁面出現溫度熱點。對于整體換熱效果從模擬中難以體現,需要結合實驗手段,進行實際測試方能確定。
    同時建立了板外煙氣流動和傳熱的二維模型,對板間的流動特性和煙氣的換熱特性進行了模擬分析。板間煙氣流動和傳熱模擬表明:板束的凹凸波紋結構,起到了強化煙氣側傳熱的作用,其中凸波紋的作用要明顯優于凹波紋,同時發現波紋板束換熱器的凹紋區域存在一定的煙氣脫體現象。
參考文獻:
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