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板式換熱器波紋通道的流動與傳熱機理概說
信息來源:sqyu.net 發布時間:2019-2-21 9:59:36

板式換熱器是一種將壓制有波紋的薄金屬換熱板片疊裝而成的換熱設備,具有傳熱系數高、結構緊湊、污垢系數低、便于維護和清潔等優點。與常規的殼管式換熱器相比,在相同的流動阻力和泵功率消耗下,其傳熱系數要高出一倍左右。近幾十年來,板式換熱器朝著多極化、裝置化發展,并且應用領域也日益廣泛。目前,板式換熱器廣泛應用于石油化工、電力冶金、船舶工程、供暖制冷、食品加工等工業生產和日常生活當中,其傳熱性能對于提高能源利用效率有著重要意義。

由于人字形板式換熱器承壓能力大,傳熱性能好,現有板式換熱器板片波紋形狀以人字形最多,國內外大多數的研究也主要針對人字形波紋,并且側重于研究板片結構對于換熱器換熱和阻力特性的影響。Ciofalo等對板式換熱器的主流區采用k-ε模型進行了數值模擬研究,并用實驗檢驗其準確性。結果表明,相同結構下實驗測量和數值模擬得到的平均傳熱系數和局部傳熱系數基本一致,而壓力差的誤差在20%~25%,這一結論可為后續研究者提供參考。Islamoglu等運用有限元法對空氣在二維周期性板式換熱器三角形通道內的傳熱系數和流動阻力進行了數值模擬研究,并與實驗值進行比較。結果表明在1000≤Re≤4000的范圍內,數值模擬結果與實驗結果基本一致。并且發現,在波紋節距不變的情況下,隨著波紋高度的增加,流動阻力系數增大。陰繼翔等應用數值方法研究了流體在二維正弦型和三角形兩種波紋通道內周期性充分發展的流動與換熱,結果表明與三角形波紋通道相比,正弦型波紋通道流動更容易失穩而較早向湍流過渡,因此正弦型通道表面的換熱性能更優。Lee等對人字形板式換熱器的單位換熱波節進行模擬,認為由于靠近凹凸板的流體流動方向不同,當波紋傾角較大時,流動方向會嚴重影響流動結構,因此造成低Reynolds數下實現湍流運動。并且文中指出,在波紋傾角為60°,波紋縱橫比為3.6,Re=850時,流動將出現周期性自激振蕩,在波谷處會出現旋渦,并且導致通道內大幅度壓降。Zhang等模擬在壁溫恒定的條件下,正弦型波紋通道的二維流動與換熱,認為隨著Reynolds數和波紋縱橫比的增加,上壁面波谷處產生的橫向渦也隨之增加,并且包圍更多的主流區流體,使得流體內部混合劇烈,進一步促進了渦的流動形態。李國君等采用數值模擬方法分析了流體在不同板間距的正弦波紋通道內,周期性充分發展的穩態層流流動特性,得到相似結論。徐志明等采用數值模擬方法分析了多種結構的人字形板式換熱器的傳熱和流動性能,結果表明由于換熱器內傳熱和流動的不均勻性,導致進出口另一側存在明顯傳熱死區,導致局部傳熱系數降低。

但由于人字形板式換熱器流道形式的復雜性,流體在其中的流動和換熱機理仍有許多問題值得深入研究。以上的研究主要針對于板式換熱器的整體平均傳熱性能和阻力特性,無法反映出通道內局部特征的變化。因此本文針對特定結構下人字形板間波紋通道的流動與傳熱進行數值模擬研究。考察不同Re下壁面平均及沿壁面局部的表面特征數(Nu和f)的變化規律。并且針對單元流道截取多個剖線,剖析波紋通道內部流動與傳熱參數在不同橫向剖面的分布規律,揭示波紋通道的流動與傳熱機理。同時,從結果中分析得到旋渦和傳熱死區的產生位置,為板式換熱器的優化設計提供理論依據。


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