板翅式换热器的传热特性研究.pdf

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第2期(总第147期)
机械工程与自动化
2008年4月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
ipr.
文章编号:1672-6413(2008)02-0056-03
板翅式换热器的传熱特性研究
甘建德,柴苍修
(式汉理工大学机电工程学院,湖北武汉430070)
摘要:运用 ANSYS软件中的 FLOTRAN模块,对板翅式换热器中的锯齿形翅片的湍流流动和传热特性进行
了模拟仿真。并对模拟结果进行分析,证明与理论吻合较好,说明运用FL. OTRAN来分析板翅式换热器传热
特性是简便、直观的方法,并对以后的板翅式换热器设计及优化提供了参考
关键词:换热器; ANSYS;锯齿翅片
中阳分类号:TP391.9:TQ051.5
文献标识码:A
引言
Q-WV=△UI+△Kな+△P。……………(1)
板翅式热交换器是一种高效换热器,具有结构紧式中:Q-一热量;
湊、轻巧及传热效率高等特点,它的换热面积为管壳
做功
式换热器的29倍。但由于板翅式机油冷却器内的流体
△Uーー系统内能;
流动与传热规律十分复杂,其内部流场分布不均匀,使
△KK一系统动能;
得板翅式换热器严重偏离设计工况。传统的换热器设
△PE-系统势能
计以实验设计为主?根据换热器产品的热设计手册,利对于大多数工程传热问题有
用半经验半解析的估算公式进行设计计算。这种传统
△KE=△PE=0
设计方式虽然仍是现代设计的基础,但由于它的局限通常考虑没有做功,即W=0,则:
性,目前已经无法满足设计的需要。因此,本文主要
Q=A
运用了 ANSYS中的 FLOTRAN模块对板翅式换热
对于稳态热分析,则
器中的锯齿形翅片进行模拟研究。
Q=AU=0。
ANSYS在热交换器中的应用
即流入系统的热量等于流出的热量。
1.1热分析的应用
对于瞬态热分析,则有
利用 ANSYS有限元软件可以分析工程中普遍存
在的热问题。热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、热
辐射、热应力和相变等。热分析用于计算一个系统或即流入或流出的热传递速率q等于系统内能的变化。
部件的温度分布及其它热物理参数,如热量的获取或1.2.1导热
损失、热梯度、热流密度(热通量)等。热分析在许多
导热可以定义为完全接触的两个物体之间或一个
工程应用中扮演着重要角色。
物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交
1.2 ANSYS热分析的基本理论
换。导热遵循傅立叶定律
运用 ANSYS进行热分析的基本原理是将所处理
的对象划分成有限个单元(包括若干个节点),然后根
据能量守恒原理来求解一定边界条件和初始条件下每式中:q"一热流密度,W/m2;
个节点处的热平衡方程、由此解出各节点温度,进
导热系数,W/(m?K);
而求解出其它相关量。热分析遵循热力学第一定律,即
x一一导热距离,m;
能量守恒定律,对于一个封闭的系统(没有质量的流入
T一温度,K。
或流出),有下式成立:
2对流换热
收稿日期:2007-08-15:修回日期:2007-11-11
作者简介:甘建德(1982-),男,福建泉州人,硬:生研究生,研究方向:智能设计及理论
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2008年第2期
甘建德,等:板翅式换热器的传热特性研究
对流换热是指固体的表面与它周围接触的流体之要的环节,网格划分的好坏最终决定了分析结果的准
间由于存在温差而引起的热量的交换。对流换热可以确度。在本实验中,在靠近壁面的地方由于温度梯度
分为两类:自然对流和强制对流。对流换热用牛顿冷较大,因此网格划分得较密。图2是物理模型网格划
却方程来描述
分的一部分。
(3)
式中:h一对流换热系数,W/(m2?K)
固体表面的温度,K
TT
周围流体的温度,K。
2板翅式换热器锯齿遡片换热的物理模型
板翅式换热器的传热与流动阻力性能主要决定于
翅片的表面特性,因此翅片的表面特性数据是准确设
计板翅式换热器的基础】。所以在本文中主要针对板
翅式换热器中的锯齿翅片进行表面换热和表面阻力特
性的研究。
根据紧凑式换热器锯齿形翅片的结构特点,板翅
式换热器的流体流动可视为二维流动,它的物理模型
见图1。
图2网格划分
5结果分析
图3为锯齿形翅片的温度分布云图,图4为温度
沿轴向分布图。由图3可知温度沿流体流动方向发生
明显变化;由图4可知进口温度约为95C(假定的边
界条件),流体在流动方向上与锯齿形翅片发生对流换
热,一部分热量通过对流换热传递给冷流体,因此沿
着轴向温度逐渐下降,由于锯齿形翅片的存在,有效
破坏了流体边界层,使传热热阻下降,增强了流体的
湍动程度(见图5),有效地强化了传热效果。由图4可
知,出口温度约为75C,轴向温降约为20C。图4中
曲线有略微振荡,这是由于在定义轴向路径时,沿轴
向方向各点离翅片的距离不同,离翅片较近的液体温
度较低,离翅片较远的流体则温度较高。
图1锯齿形翅片物理模型
图1所示的物理模型中翅片竖直放置,流体流动
方向为自下往上。翅片的几何尺寸为:宽0.2mm,长
1.5mm,翅片间距3,5mm,上下翅片错开距离
1.5mm。
3边界条件
由于板翅式换热器内部结构复杂,因此笔者选取
锯齿形翅片作为基本的研究对象,采用控制容积法对
计算区域作离散化处理,且用k一∈双方程考虑湍流影
响,采用分离变量法隐式求解,压力及速度耦合采用
simple算法,换热介质采用稳态不可压缩空气。如图
1所示,假定:底部为进口,且边界条件为给定流体速
度、温度及相应的湍流条件;顶部为出口,且边界条
图3温度分布云图
件为给定出口压力为0;左右边界为板翅式换热器中
图6为纵向速度分布云图,该图显示了流体速度
的固壁封条,边界条件为绝热且无滑移;内部各方格的总体分布状况。图7为纵向路径流体速度分布图,从
代表锯齿形翅片,翅片的边界条件为无滑移且与流体图中可知沿着流体流动的方向,流体速度逐渐增加,这
进行对流换热。
是由于锯齿翅片的存在使流体通道凹凸不平,并且由
4网格划分
于交错翅片使后面的流道逐渐变窄,刚开始流道变化
在 ANSYS中进行网格划分是分析过程中至关重较大,速度变化较大,这与文献[3]的结果相吻合;