板翅式换热器数值模拟研究.pdf

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第45卷第2期
化工设备与管道
Vol 45 No.2
2008年4月
PROCESS EQUIPMENT& PIPING
Apr.2008
板翅式换热器数值模拟硏究
董其伍王丹.刘敏删宫本希
(郑州大学化学工程学院,郑州450002
摘要:采用数値模拟的方法研究了板翅式换热器的流体流动与传热性能,得出了七种不同高度、厚度和翅片间距
大小的翅片流道中流体平均M数和压力降随Re数变化的曲线。
关键词:板翅式换热器;平直翅片;数值模拟
中图分类号:TQ051.5
文献标识码:A
文章编号:1009-3281(2008)02-0025-04
Numerical Simulation Research for Plate-fin Heat Exchanger
Dong Qiwu Wang Dan Liu Minshan Gong Benxi
Department of Chemical Engineering, Zheng hou University, Zhengzhou 450002
Abstract The characteristics of fluid flow and heat transfer in plate-fin heat exchanger is studied by using the Numerical simulation
The average Nussclt number and pressure drop curves of fluid with Reynolds number changing in channels with seven different
of heights, thicknesses and fin spaces have been presented respectively
Keywords plate-fin heat exchanger; fluid flow and heat transfer; numerical simulation
板翅式换热器结构形式虽然很多,但其结构单
元体基本相同,都是由翅片、隔板、封条和导流片组
成的。翅片是板翅式换热器最基本的元件,翅片与
隔板的连接均为完善的钎焊,传热过程一部分直接
由隔板来完成,另一部分通过翅片来完成,由于翅片
不像隔板是直接把热量传给冷流体,故翅片有
次表面"之称。板翅式换热器的翅片形式主要有
平直翅片、锯齿翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、多孔翅
片和钉状翅片等。斯坦福大学的Kays和Lon
don等人对56种不同的翅片形状进行实验,绘制
了翅片的传热和阻力曲线图。板翅式换热器由于其
图1平直翅片模型
具有体积小、质量轻、效率高、适应性强等一系列优-翅片高度;6ー翅片厚度;mー翅片问距;4、-翅片有效宽度
点,在石油、化工、空气分离、制冷空调以及航天航
x一翅片内距,x=m-8;y-翅片内高,y=L-8
空、电子等请多工业领域得到越来越广泛的应用。
连续性方程:
由于进行实验研究具有周期长,耗时费力的缺
dt
点,而数值模拟方法具有使用方便、灵活,研究和开
发周期相对较短,费用较低、限制较少等优点。因此动量方程:
本文利用数值模拟方法,采用耦合传热模型,考察单
个平直翅片中不同结构形式的翅片导热对流道中流
0+us0)
x
体流动换热的影响。平直翅片结构形式如图1所
0
示,图中虚线部分为本文模型的截面部分。
ンx6
1理论基础8,4
其中,4分別表示、,u、L42:x1代表所选坐标。
能量方程
数值模拟方法遵循质量守恒、动量守恒和能量
守恒这三个最基本的物理规律,其理论基础可以用牧積目期:200912
以下方程式表示。
作者简介:革其伍(1941一),男,教授,博士生导师。主要从事过程
装备CAD/CAE/CAMI、数值模拟及强化传热方面的研究。
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26?
化工设备与管道
第45卷第2期
所以采用网格质量好、计算速度快、内存占用量少的
dx
(3)六面体结构化网格分别对流体和固体部分进行刘
分。网格的疏密程度对模型计算结果也有很大的影
响。计算之前首先对网格进行独立性测算,采用不
固体部分(导热方程):
同的网格密度重复同样的计算,比较所得的结果,当
0
(4)模型进一步细化网格,在工程允许的偏差范围内数
值解已几乎不再发生变化,即认为此解为网格独立
液体部分(对流方程
的解。以模型6.5-0.2-1.4-150为例,在对计算网格
ahr
+p2
p2 0Z
加密以后,重新分析计算结果,通过比较结果发现,
网格数量为36万左右时能够满足计算的精度要求。
d
at), a
5)
4边界条件设置?
Op . a
本文模拟的固体部分翅片材料选用金属铝,流
液固耦合部分:耦合边界上的温度连续
体介质采用稳态不可压缩的水,计算采用标准层流
6)模型,压力和速度耦合采用 SIMPLE算法,边界条件
耦合边界上的第三类边界条件
采用速度进口和压力出口,假设流体进口温度为
300K。由于翅片底部和隔板是完善的钎焊,通过导
7)热方式传热,在建模型的过程中将该面画成一个面,
fluent就自认为是一个导热面,假设该面为恒定壁温
2物理模型和数学描写?
325K;翅片与介质水对流换热的面设置为壁面条件
本文采用有限元分析软件 FLUENT软件,以国W中的耦合换热,即 couple;模型两侧边设置为对
产的七种不同翅片高度、厚度和翅距的平直翅片为称边界即 symmetry。在求解过程中,当连绫性方程、
模型进行模拟,考察翅片流道中的流体流动和传热动量方程和能量方程中的交量残差分别达到∥
特性,模型长度取150m。本文的模型尺寸分別采10和10-°时认为计算收敛。
用6.50.2-1.4-150,6.50.3-1.4-150,6.5-0.5-1.4-5分析与讨论
150,6.5-0.2-1.7-150,6.5-0.2-2.0-150,4.70.2-
1.4-150,9.5-0.2-1.4-150表示,以模型6.5-0.2-
以6.5-0.2-1.4-150的模型为例,在流体Re数
1.4150为例,.5代表平直翅片高度为6.5mm,0.2为500时,流道进口截面、1/3处截面、2/3处截面
代表翅片厚度为0.2m,.4代表翅片间距为1.4出口截面的温度分布如图2a-d所示。
mm,150代表流道长度为150mm。
3.25c
24c+02
翅片材料选用金属铝,流体介质釆用稳态不可
压缩的水,假设流体进口温度为300K,计算采用标
主1c+02
3.16c+02
准层流模型,压力和速度耦合采用 SIMPLE算法进
行,边界条件采用速度进口和压力出口。由于翅片
02
3.10c+02
底部和隔板是完善的钎焊,通过导热方式传热,在建
0980
模型的过程中将该面画成一个面, fluent就自认为是
一