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板翅式换热器芯体气流分布研究

丁友胜++崔新亭
摘 要：为了研究板翅式换热器芯体内的气流分布情况，对板翅式换热器封头和芯体整体进行建模，并分别采用多孔跳跃模型、多孔区域模型和多通道多孔区域模型等三种模型对换热器芯体进行简化处理，对比分析了各种模型的优劣。结果表明，多通道多孔区域模型最符合实际运行情况，并基于此模型计算分析了芯体高度对换热器气流分布的影响。
关键词：板翅式 多孔介质 气流分布
：TK172 ：A ：1674-098X（2014）09（c）-0025-04
板翅式换热器因结构紧凑、体积小、质量轻、传热效率高、温度控制性好、适应性强等一系列优点广泛应用于诸多工业领域，并成为空分、LNG等装置最重要的设备之一。随着空分、LNG等装置向大型、特大型方向发展，其对所用板翅式换热器的要求也越来越高。而目前国内自主设计制造的板翅式换热器的效率与国外仍有很大的差距。影响其换热效率的因素主要是流体分布的均匀性、翅片的传热特性、相变的影响和物流通道的排列等，而流体分布均匀性一直是研究的重点之一。国内外多数研究认为流体分布不均匀是由于封头、配管设计不合理[1-5]，在流体还未进入板束体进行换热时已产生了不均匀分布，并指出封头结构是导 致流体分布不均的主要因素。
板翅式换热器结构复杂，由封头、导流片、翅片、隔板、封条等组成，在数值模拟中要将其一一体现出来是不现实的，必须进行简化处理。为此，Patankar和Spalding提出了多孔介质模型的方法[6]。陈强[7]将微管道换热器抽象成多孔介质模型。朱冬生[8]采用多孔介质模型对板翅式燃气热水器换热器芯体内流体的流动与传热进行三维数值模拟。李美玲[9]采用多孔介质模型对换热器芯体进行了简化处理。熊智强[10]采用直接数值模拟和多孔介质模型两种方法对管壳式换热器进行研究。本文分别采用多孔跳跃模型、多孔区域模型和多通道内多孔区域模型对换热器芯体进行简化计算，分析多孔介质模型在板翅式换热器流体分布数值模拟中的应用的合理性，并分析换热器芯体高度对气流分布的影响。
1 物理模型
根据某板翅式换热器内部实际流动区域，建立了板翅式换热器气流入口封头及板束体几何模型。其中封头尺寸为1000 mm×300 mm×450 mm，进口管直径110 mm。芯体采用三种处理方式，一是用多孔跳跃模型进行一维简化；二是用多孔区域将芯体简化成长方体；三是简化为25个通道，每个通道内为多孔介质模型。为了减少模型进出口对换热器流场的影响，将出口向外侧延伸50 mm（见图1、图2和图3）。
2 数学模型
（1）质量守恒方程：
（1）
（2）动量守恒方程：
（2）
①对于非多孔介质区域Si=0。
②多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。动量源项采用幂律公式来确定：
（3）
其中，为多孔区域的动量源项，Pa/m；为多孔区域内的流速，m/s；C0为拟合公式中流速的系数；C1为拟合公式中流速的指数。根据试验数据拟合芯体阻力公式为：，得：C0=5916，C1=1.79。
（3）k-方程：
（4）
（5）
①在非多孔介质区，取：
Sk=0，S=0
②在多孔介质区，取：
（6）
（7）
3 边界条件及求解方法
在换热器芯体内的通道中，气流主要沿板束方向流动，在通道内部，有少许横向流速分布，对于通道之间来说，由于隔板的原因，横向流速分布可忽略不计。模型假设气体不可压缩，边界条件设置选择速度入口、压力出口，芯体根据简化模型选择多孔跳跃或多孔区域边界条件。壁面附近采用标准壁面函数法，求解模型采用Simple算法的分离求解器，湍流模型采用标准k-ε方程，各项收敛标准均设为0.001。
4 计算结果及分析
4.1 计算结果分析指标
（1）定性指标——流场分布与实际运行情况符合程度，选取模型中心截面流场矢量图，并与实际运行情况进行对比，由两者相符程度判断模型的合理性。
（2）定量指标——气流分布不均匀度M，可用公式表达为：
（8）
其中，gi为第i个通道流量，ga为总流量。
4.2 三种模型计算结果的合理性比较
（1）采用多孔跳跃模型简化换热器芯体。
图4、图5可以看出，气流进口处的Z向速度大于0的范围较多，即有严重向上回流的现象，这对板翅式换热器的通道来说，是不可能的。因此，采用这种简化模型分析流场是不合理的。出现这种结果的主要原因是模型仅计算封头内部的流场，而不考虑换热器芯体内的流场分布。
（2）采用多孔介质区域将芯体简化为长方体。
图7看出，换热器芯体的整个流场内，Z向速度为负，没有出现回流现象，与多孔跳跃模型相比，比较符合实际运行情况。但是图6显示，在芯体入口内部，流场沿封头轴线方向，出现了比较严重的横向渗流现象，这种现象仍然与芯体换热通道的特性不符，故单纯的多孔区域模型仍有较大偏差。
（3）简化为25个通道模型。
基于以上两种模型出现的问题，需对第二种模型做进一步的改进，将整个芯体沿封头轴线方向划分，简化为25个通道，每个通道内为多孔介质模型，通道之间由隔板完全隔开。由图8可以看出，这种模型基本上消除了芯体入口内部横向渗流现象，符合芯体内换热通道的特性，故运用该模型对换热器内部的流场进行分析时，可以得到比较接近真实的结果。如果要得到更精确的结果，可以将模型隔出更多通道，但对电脑的性能要求也更高。
4.3 换热器芯体高度对流场分布均匀性的影响endprint
根据第三种计算模型，对于固定的翅片形式，多孔介质的特性参数是一定的，那么芯体的压降跟其高度有关。图9为各通道质量流量的分布与芯体高度的关系图；图10为各通道气流分布不均匀度M的值与芯体高度的关系图。
从图10可以看出，当芯体高度小于2 m时，气流分配非常不均匀；当芯体高度大于2 m时，气流分配不均主要发生在换热器中心部位，即通道11到通道15之间；当芯体高度大于4 m时，气流分配总体趋于均匀，中心部位依然有小程度不均，芯体高度对气流分配不均匀度的影响变得很小。由以上结果可以看出，换热器芯体阻力对气流分配的影响是比较明显的。当阻力比较小时，气流分配非常不均匀，此时通过改进封头结构能够在一定程度上解决气流分配不均的问题；当芯体阻力比较大时，对封头结构改造的意义就很小了。
5 结语
该文不局限于仅仅计算封头内部的流场分布，而是对换热器的整体流场进行研究，因此得出的计算结果更具有实际意义。
对板翅式换热器芯体进行简化时，多通道多孔区域模型要明显优于多孔跳跃模型和整体多孔区域模型，更符合实际情况。
换热器芯体高度对气流分布影响较大，当高度达到一定值时，改变封头结构就失去了意义。事实上，国内进口板翅式换热器基本上没有封头分布结构。
采用多孔介质模型对换热器芯体进行合理的简化能够为开发高效率板翅式换热器提供一条有利的途径。
参考文献
[1] MUELLER A C，CHIOU J P.Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers [J].Heat Transfer Engineering，1988，9（2）：36-50.
[2] SHAH R K，SEKULIC D P.Fundamentals of Heat Ex—Changer Design[M].New York：John Wiley and Sons，2003：809-853.
[3] 张哲，厉彦忠，焦安军.板翅式换热器封头结构的数值模拟[J].化工学报，2002，53（11）：1182-1187.
[4] 巫江虹，陈长青，吴业正.板翅式换热器两相流封头设计及其分配特性[J].低温工程，1996（5）：10-14.
[5] 焦安军.换热器入口物流分配特性研究及结构优化[D].西安：西安交通大学，2002.
[6] Patankar S V，Spalding D BHeat Exchanger Design Theory Souse Book[M].New York·McGRAW-Hill Book Company，1974.
[7] 陈强，杨静宇，董涛，等.微管道换热器多孔介质模型分析及应用[J].机械工程学报，2004，40（4）：108-113.
[8] 朱冬生，毛玮，蓝少健，等.多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用[J].流体机械，2012，40（4）：63-67.
[9] 李美玲，田宝龙，王宏伟，等.板翅式换热器封头型式的改造[J].低温与特气，2011，29（4）：16-20.
[10] 熊智强，喻九阳，熊智斌.管壳式换热器流场数值模拟方法[J].武汉工程职业技术学院学报，2006（3）.endprint
根据第三种计算模型，对于固定的翅片形式，多孔介质的特性参数是一定的，那么芯体的压降跟其高度有关。图9为各通道质量流量的分布与芯体高度的关系图；图10为各通道气流分布不均匀度M的值与芯体高度的关系图。
从图10可以看出，当芯体高度小于2 m时，气流分配非常不均匀；当芯体高度大于2 m时，气流分配不均主要发生在换热器中心部位，即通道11到通道15之间；当芯体高度大于4 m时，气流分配总体趋于均匀，中心部位依然有小程度不均，芯体高度对气流分配不均匀度的影响变得很小。由以上结果可以看出，换热器芯体阻力对气流分配的影响是比较明显的。当阻力比较小时，气流分配非常不均匀，此时通过改进封头结构能够在一定程度上解决气流分配不均的问题；当芯体阻力比较大时，对封头结构改造的意义就很小了。
5 结语
该文不局限于仅仅计算封头内部的流场分布，而是对换热器的整体流场进行研究，因此得出的计算结果更具有实际意义。
对板翅式换热器芯体进行简化时，多通道多孔区域模型要明显优于多孔跳跃模型和整体多孔区域模型，更符合实际情况。
换热器芯体高度对气流分布影响较大，当高度达到一定值时，改变封头结构就失去了意义。事实上，国内进口板翅式换热器基本上没有封头分布结构。
采用多孔介质模型对换热器芯体进行合理的简化能够为开发高效率板翅式换热器提供一条有利的途径。
参考文献
[1] MUELLER A C，CHIOU J P.Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers [J].Heat Transfer Engineering，1988，9（2）：36-50.
[2] SHAH R K，SEKULIC D P.Fundamentals of Heat Ex—Changer Design[M].New York：John Wiley and Sons，2003：809-853.
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[4] 巫江虹，陈长青，吴业正.板翅式换热器两相流封头设计及其分配特性[J].低温工程，1996（5）：10-14.
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[6] Patankar S V，Spalding D B.Heat Exchanger Design Theory Souse Book[M].New York·McGRAW-Hill Book Company，1974.
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[8] 朱冬生，毛玮，蓝少健，等.多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用[J].流体机械，2012，40（4）：63-67.
[9] 李美玲，田宝龙，王宏伟，等.板翅式换热器封头型式的改造[J].低温与特气，2011，29（4）：16-20.
[10] 熊智强，喻九阳，熊智斌.管壳式换热器流场数值模拟方法[J].武汉工程职业技术学院学报，2006（3）.endprint
根据第三种计算模型，对于固定的翅片形式，多孔介质的特性参数是一定的，那么芯体的压降跟其高度有关。图9为各通道质量流量的分布与芯体高度的关系图；图10为各通道气流分布不均匀度M的值与芯体高度的关系图。
从图10可以看出，当芯体高度小于2 m时，气流分配非常不均匀；当芯体高度大于2 m时，气流分配不均主要发生在换热器中心部位，即通道11到通道15之间；当芯体高度大于4 m时，气流分配总体趋于均匀，中心部位依然有小程度不均，芯体高度对气流分配不均匀度的影响变得很小。由以上结果可以看出，换热器芯体阻力对气流分配的影响是比较明显的。当阻力比较小时，气流分配非常不均匀，此时通过改进封头结构能够在一定程度上解决气流分配不均的问题；当芯体阻力比较大时，对封头结构改造的意义就很小了。
5 结语
该文不局限于仅仅计算封头内部的流场分布，而是对换热器的整体流场进行研究，因此得出的计算结果更具有实际意义。
对板翅式换热器芯体进行简化时，多通道多孔区域模型要明显优于多孔跳跃模型和整体多孔区域模型，更符合实际情况。
换热器芯体高度对气流分布影响较大，当高度达到一定值时，改变封头结构就失去了意义。事实上，国内进口板翅式换热器基本上没有封头分布结构。
采用多孔介质模型对换热器芯体进行合理的简化能够为开发高效率板翅式换热器提供一条有利的途径。
参考文献
[1] MUELLER A C，CHIOU J P.Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers [J].Heat Transfer Engineering，1988，9（2）：36-50.
[2] SHAH R K，SEKULIC D P.Fundamentals of Heat Ex—Changer Design[M].New York：John Wiley and Sons，2003：809-853.
[3] 张哲，厉彦忠，焦安军.板翅式换热器封头结构的数值模拟[J].化工学报，2002，53（11）：1182-1187.
[4] 巫江虹，陈长青，吴业正.板翅式换热器两相流封头设计及其分配特性[J].低温工程，1996（5）：10-14.
[5] 焦安军.换热器入口物流分配特性研究及结构优化[D].西安：西安交通大学，2002.
[6] Patankar S V，Spalding D B.Heat Exchanger Design Theory Souse Book[M].New York·McGRAW-Hill Book Company，1974.
[7] 陈强，杨静宇，董涛，等.微管道换热器多孔介质模型分析及应用[J].机械工程学报，2004，40（4）：108-113.
[8] 朱冬生，毛玮，蓝少健，等.多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用[J].流体机械，2012，40（4）：63-67.
[9] 李美玲，田宝龙，王宏伟，等.板翅式换热器封头型式的改造[J].低温与特气，2011，29（4）：16-20.
[10] 熊智强，喻九阳，熊智斌.管壳式换热器流场数值模拟方法[J].武汉工程职业技术学院学报，2006（3）.endprint
科技创新导报2014年27期
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