场协同及火积耗散在热混合板式换热器中的应用.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123087
场协同及火积耗散在热混合板式换热器中的应用
张井志,田茂诚,张冠敏,冷学礼
山东大学能源与动力工程学院, 济南, 250061
(TEL:0531-88395592 Mail: ******@SDU. )
摘要通过数值模拟,分析了热混合板式换热器单流道模型换热和阻力的情况,并结合场协同理论和火积耗散理论分析了热混合流道的综合性能。结果表明:平均协同角,Nu和压降随上壁面倾角βt的增大而增大,粘性耗散随着βt呈现先增大后减小的趋势,且在上下倾角之和为100°时取得极大值。随着入口Re的增大,压降和Nu均呈现上升的趋势,平均协同角先上升后趋于不变,场协同数Fc逐渐降低,利用约束的平均协同角更能体现协同性随Re的变化规律。火积传递效率随Re的增大基本呈现震荡降低的趋势,硬板组合的传递效率要高于软板组合。
关键字板式换热器;场协同;数值模拟;火积耗散
0 前言:
随着石油和煤炭价格的提升,如何高效的利用能源和节约能源已成为保证经济可持续发展的重要因素[1]。换热器作为有效的热交换元件,普遍应用于化工、冶金、炼油等行业。板式换热器作为一种高效、紧凑的换热器,在越来越多的领域得到应用。人字形板式换热器,可以诱导流体在较低雷诺数下形成湍流,是应用最广泛的板式换热器之一。很多学者对影响人字形板式换热器性能的因素进行了研究。赵镇南[2]通过试验研究得出:人字波纹的倾斜角是影响板式换热器性能最重要的一个几何参数。它通过改变流动状态来影响板片通道的传热与阻力特性;栾志坚[3]等,通过数值模拟得出倾斜角是影响人字形板换流体形态的主要原因,同时人字形波纹的其它两个几何参数,波纹高度h和波距λ,也会影响到人字形波纹板片间流体的流动形态。乔小刚[4]等通过数值模拟,系统地分析了板式换热器的三个重要参数对内部流场、温度场的影响,得出触点是板间换热效果最好的点, 触点的扰流作用使流体在触点周围湍流程度增高, 传热得到强化。徐志明[5-6]等通过建立模型,对板式换热器结垢问题进行了研究。为了更好的适应工程应用中多种多样的热负荷和工况,人们提出了“热混合”[7]的办法,即每两种波纹倾角不同的人字形板片组装成一台板式换热器。
本文在此基础上,结合场协同理论以及火积耗散理论分析了热混合板式换热器的换热阻力性能。
1 物理模型基金项目:国家重点基础研究发展计划(973项目:2007CB206903)和山东省科技攻关项目(2008GG10007009)资助。通讯作者:田茂诚(1965~),山东大学能源与动力工程学院,教授/博导。

截取人字形波纹板式换热器主流区进行计算分析, 板式换热器模型如图 1所示。板片主流区外形尺寸为A×B=200mm×120mm,上壁面倾角βt的取值范围为20°~80°,下壁面倾角βb的取值范围为20°~80°, 波纹深度h为2 mm, 波纹间距λ为10 mm。下文以βb-βt,代表模型为下壁面倾角为βb,上壁面倾角为βt,如30-70(下壁面倾角30°,上壁面倾角70°)。
图 1 模型图
由于板式换热器外表面比较复杂,采用四面体网格进行划分,对网格进行局部加密,,Nu等参数已不随网格数量的变化而变化,满足网格无关性要求。入口设为速度入口,工作介质为