板翅式换热器的数值模拟研究

板翅式换热器的传热和流动阻力特性数值模拟研究1课题背景及研究意义1.1研究背景随着科学技术日新月异的发展，作为换热关键设备之一的换热器也越来越倍受人们的关注，各种高效、节能的新型换热器应运而生。板翅式换热器作为一种典型的新型换热器，以其独特的优点，占据了换热设备领域的一席之地，广泛的应用于能源、动力、化工、冶金、机械、交通、原子能、航空和航天等领域，并在利用热能，回收余热，节约原料，降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益[1]。板翅式换热器显著优点是传热效率高，紧凑轻巧，适应性大，可在200℃到绝对零度的温度区间内工作。缺点是制造工艺复杂，要求严格，容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修较困难。板翅式换热器首先应用于航空、汽车工业，早在1930年英MarstonExcelsier公司就用铜合金浸渍钎焊方法制成航空发动机散热用板翅式换热器，20世纪40年代中期出现了铝质浸焊板翅式换热器。1942年美NorrisR.H.首先进行平直翅片、波纹翅片、锯齿翅片的性能研究。20世纪50年代，板翅式换热器开始在空气分离设备中得到应用，这使得板翅式换热器的实验研究、设计制造得到有力得推动，板翅式换热器开始向大型化、高压、多种用途、各种材料的方向延伸。近年来，对板翅式换热器的理论计算，优化设计，制造工艺以及实验研究方兴未艾，尤其是一些新技术的渗透，使其应用范围进一步拓宽，进入了一个新的发展时期。国内外的研究指出：引起该类换热器性能下降的主要因素为物流分配的不均匀、轴向导热及温度场的不均匀，而三者中物流分配不均匀的影响是最重要的[2]。由于流体从入口进入换热器内部经历了多次流通面积的变化，从大通道到微细通道流体流量多次分配，结果进入翅片通道后各通道之间、各流动层之间存在严重的不均匀现象，物流分配的不均匀导致换热的不均匀，因而成为板翅式换热器性能下降的主要原因。对板翅式换热器的研究发现[3]：NTU在4～50范围内，由于物流分配的不均匀可导致换热器效能下降3.5～9.54%。如何保证与完善板翅式换热器优良的传热性能是换热器研究与设计人员的重要任务，对板翅式换热器的研究与改进，使其更能进一步体现这一高效换热器的优势，具有重要的工程意义与理论价值。物流分配不均匀现象还存在于各类流动与换热设备之中，特别是热交换器和化学反应器中，由于在该类工业设备中存在着热量和质量的交换过程，流体分配的不均匀就意味着对传热和传质过程造成影响，甚至于恶化。而由于传热和传质过程的存在，当温度场或者浓度场不均匀时也导致物理过程的不平衡，反而又会影响流体流动的不均匀。如此的复合过程，交叉耦合，互相影响。因此，研究物流分配均匀性分布必须和传热传质过程耦合起来，特别是局部的流场分布特征与微观的传热传质过程互相依赖。此外，换热设备的入口结构对来流的流场分布起着至关重要的作用，来流的均匀性分布是保证换热设备内部流场均匀的前提。对于不同的入口结构型式，不同的来流条件和流体特性，流场的均匀性也是不同的。因此开展换热器物流分配的研究对于探明换热器内部传热与流动之间的相互依赖关系，搞清楚温度场分布与流场分布的内在联系，具有科学意义。对于改善换热器结构，提高其换热效率，具有明显的社会和经济价值。1.2课题研究的实际意义2、本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势：板翅式换热器是一种紧凑式的高效换热器，它具有结构紧凑、轻松、传热效率高等特点，广泛地用于石油化工、空气分离、低温工程、船舶、车辆及原子能等行业。随着钎焊及真空钳焊技术的发展，工艺的完善，材料质量的提高及材料种类的拓展[1.2]，其制造成本不断下降，甚至可以应用于一些家用电器，如空调、家用取暖设施等[3]。目前国内板翅式换热器的制造水平已达到了国际领先水平，部分产品一出口国外[4]。而且有关板翅式换热器的实验研究，软件开发也取得了一些成果；为了更好地与先进的制造水平相当，提高设计的效率、质量及设备的可用性，将计算机模拟与板翅式换热器的计算辅助优化系统相结合，有较高的使用价值。国内外对于换热器的研究工作一直都很重视，随着能源的日趋紧张，环境保护要求的提高，换热器的研究也越来越受到各方面的欢迎和支持。美国传热研究公司(HTR)I是一个国际性、非赢利性的合作研究机构，会员数百家，遍及全球，在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术主面作出了很大贡献。近年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。目前国内有近20家成为HTRI会员川。英国传热及流体服务中心(HTFS)，隶属于英国原子能管理局。该中心有会员数百家，长期从事传热与流体课题的研究，所积累的经验和研究成果不仅用于原子能工业，而且用于一般工业。它在传热与流体计算上更精确，开发的HTFS、TASC各类换热器计算软件备受欢迎，国内有30多家企业成为会员〔”。国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等;西安交大在板翅式换热器研究方面已取得一定成果;兰州石油机械研究所开发出了折流杆换热器、高效重沸器、新结构高效换热器等一批实用价值高的系列高效换热器。这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国的炼油、化工业的发展起了巨大作用，也使中国的传热技术水平步入了国际先进水平”。4国内外板翅式换热器方面的研究1.4.1国外研究状况国外方面，Prasad【‘0，“，‘2]在分析了板翅式换热器的换热机理之后，利用翅片换热的计算方法，对板翅式换热器建立了模型，这个模型同样适用于多股流，适用于不同的流动布置，能够计算板翅式换热器的温度场，获得流体的出口温度。德国的一所大学universityoftheFederalArmedForcesHambu嗯和上海理工大学方面【‘3】合作建立了一个换热器的多股流一维数学模型，这个模型适用于顺流和逆流情况的换热器温度场，并且得到了分析解。德国学者Fehele，KlaS，Mayinger等人利用全息技术和干涉技术对板翅式换热器的局部换热进行了研究【‘“】。他们称在雷诺数等于2000时，流动是紊流。他们对流道的结构进行研究，指出对特定的雷诺数，管道的弯曲半径越小，导热性能就越好。但是出于体积因素考虑(votumeGoodnesSfactor)，大的弯曲半径比较有优越性。在强化紊流的研究中，他们指出，非错列布置的强化管有较好的传热性能，但是出于体积因素考虑，还是错列布置比较好。对于如下这样一个板翅式换热器:1.4.2国内研究状况板翅式换热器是我国20世纪60年代自行开发的新型高效换热设备【‘一，】，以其优良的性能，广泛应用于空分设备、石油化工设备、工程机械和宇宙空间技术等工业部门。我国是继英、美、日之后第四个生产板翅式换热器的国家。四十多年来，我国板翅式换热器技术取得了显著进步。我国板翅式换热器设计和制造技术水平的提高使得我国在该项技术领域已经接近和达到了世界先进水平。其主要表现在【‘5】:(l)开发和编制了板翅式换热器设计热力计算的计算机程序，提高了计算精度和设计水平。(2)无熔剂真空钎焊技术取代盐浴浸渍钎焊，使换热器制造公益技术进入世界先进行列。(3)8.OMPa高压铝制板翅式换热器开发成功并出口到美国，标明我国制造技术水平已经接近和达到世界先进水平，已经具有与国际竞争的实力，开拓了国际市场。但在板翅式换热器的开发利用方面，很少学者利用场协同的原理去研究板翅式换热器的效率。到目前为止，作者还没有发现有学者对板翅式换热器进行整体建模计算温度场和速度场。西安交通大学【‘“一26，3‘】在板翅式换热器方面的研究是做了比较多的工作的。焦安军，厉彦忠【‘6】等用FLLJENT商业软件对板翅式换热器的封头进行建模计算，计算出几种情况下的封头的速度分布场;他们还研究了导流片的导流角对导流性能的影响【‘7]，发现导流角为450时，导流性能最佳。张哲，厉彦忠[l‘】等对导流片建立了控制方程，进行了数值模拟，研究进口流速不均匀，开孔率以及开孔直径、导流角等对导流性能的影响;并做出了一些改进，对改进的导流片，他们做了实验进行验证[9]，取得了一定的成果;他们还用FLLJENT对封头进行了建模计算，提出了二次封头的概念[l6]，并设计出了新型的封头，使得封头的导流性能得到改善。西安交通大学技术研究所对导流片的导流性能进行了实验研究，得出普通导流片物流分配不均匀参数和雷诺数的关系。焦安军等【‘“】还对不同导流片结构参数对导流片导热性能的影响进行了深入研究，发现导流片结构参数对换热器内部流动速度分布均匀性的影响主要表现在总管流动方向上，通过改变板翅式换热器导流片的结构参数可以有效地改善换热器内部物流在总管方向上的分配情况，从而有效地改善换热器内部流动速度的分布。刘永忠等[30】对板翅式换热器中的氮的冷凝和蒸发祸合传热特性进行了实验研究。发现在一定的热流密度范围内，冷凝传热温差是蒸发传热温差的30%一60%，传热过程的热阻主要在蒸发侧;随着热流密度的增加，两者差别缩小。南京工业大学[27】对板翅式换热器封头的强度进行了有限元分析，经分析他们认为:端板斜接式半圆形封头的极限承载能力最大，相对适用于中、低压操作工况;而平端板半圆形标准封头的极限承载能力最小，相对适用于低压操作工况;斜端板半圆形封头的极限承载能力略高于平端板半圆形标准封头，也只适用于低压操作工况。广东省锅炉压力容器监测所和华南理工大学[28】以进口板翅式换热器为例，建立了板翅式换热器封头的强度计算公式，并应用于板翅式换热器的检验，为该类型换热器安全性评估的进一步研究提供理论基础。东南大学和苏州三川换热器厂张小松等[29】在实验研究的基础上，将板翅式换热器用于空调系统排风的能量回收，发现减少了新风机组的负荷45%一70%，他们建议广大中央空调系统的使用单位采用该种热回收方式。上海交通大学和现代华盖建筑设计有限公司[29]结合工程实例，分析了板翅式换热器用在酒店系统中的节能效果和经济效益。分析表明，在南昌地区酒店空调中使用热回收设备，经济节能效果显著，投资回收期短，值得广泛应用。在其他方面，还有对板翅式换热器系统进行cAD开发的[32一35】，在AntocAD下，集成数据输入，数据处理和图形输出，用于工业使用，可以大大减少设计、绘图和文件生产成本，使产品设计周期缩短。板翅式换热器属于紧凑式换热器的一种。早在1930年英国马尔斯顿·艾克歇尔瑟公司就用铜合金浸渍钎焊方法制成航空发动机散热用板翅式换热器。经过70年的发展，目前板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的换热设备，已在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛应用，并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。其主要特点是:传热效率高、紧凑、轻巧、适应性强、制造工艺要求严格、制造研究开发费用高、结构复杂、工作压力温度有一定的限制、易堵塞和被腐蚀、工质要求比较洁净、加工工艺复杂等特点。近年来，板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾，特别是一些新技术的渗透，使其应用范围更加广泛，进入了一个新的发展时期。.2板翅式换热器的研究意义换热器是热力系统的关键设备，其中高效率和紧凑性的研究成为近几十年来工程设计、理论研究人员追求的目标。在不同的领域里对其研究的侧重面不同，这是因为在能源、化工等领域里，由于工程的需要，设备尺寸愈来愈大而且热功率也在相应增大，要求的工作压力在提高，但是由于两相流动、传热机理以及物流分配的不均匀性等问题限制了换热设备向大型化发展，，’。同时随着航空及航天技术的需要，小型制冷机和汽车工业的发展，对换热器的性能提出特殊要求。不仅对换热器的重量和体积提出了更高的要求，而且对换热器的效率及紧凑性提出了近乎苛刻的要求。因此，紧凑式换热器是随着工程的实际需要以及对系统性能的要求不断提高而发展起来的。紧凑式换热器是指换热表面具有高的比