板翅式换热器瞬态法数值模拟与实验研究

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　杨永斌1，厉彦忠1，2，司标1

　　(1.西安交通大学能源与动力工程学院，710049，西安;2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，710049，西安)

　　摘要：通过瞬态单吹实验和瞬态数值模拟方法对47PZ3002型板翅式换热器热力、阻力性能等进行了研究，探索了该瞬态技术在板翅式换热器性能研究中的可行性与准确性。应用瞬态单吹实验，得到了雷诺数为500～3000工况下换热器进出口温度场随时间的变化值及流体流经换热器的压降。对换热器实验件建立瞬态换热物理模型，利用VisualBasic语言编写与瞬态技术配套使用的程序对实验结果进行处理，获得了流体在板翅式换热器内的对流换热系数、j因子等性能参数。通过CFD软件，模拟了与实验工况相同条件下该换热器的相应性能参数，模拟结果与实验结果j因子之间的平均偏差为4.4%，最大偏差为10.7%，f因子的平均偏差为5.37%，最大偏差为13.0%，实验验证了该瞬态技术在平直型板翅式换热器性能研究中的可靠性。该瞬态技术测量简单、效率高，在短时间内即可获得换热器的性能参数，可为板翅式换热器工程设计提供有价值的性能预测方案。

　　关键词：板翅式换热器;瞬态技术;单吹实验;数值模拟

　　中图分类号：V511文献标志码：A文章编号：0253-987X(2018)07-0038-08

　　Abstract：Thermalandresistanceperformancesof47PZ3002plate-finheatexchangerwerestudiedbytransientsingleblowtestandnumericalsimulation.Also，thepracticabilityandaccuracyofthetransienttechniqueintheperformanceresearchofplate-finheatexchangerwereexplored.TransientsingleblowtestwasconductedtoobtainthehistoryoftheinletandoutlettemperaturesoftheheatexchangerandthepressuredropofthefluidwithReynoldsnumberfrom500to3000.AtransientphysicalmodelwasestablishedandVisualBasiclanguagewasusedtodealwiththeexperimentalresults.Theconvectiveheattransfercoefficient，jfactor，andotherperformanceparametersofthefluidintheplate-finheatexchangerwereobtained.TheperformanceparametersoftheheatexchangerunderthesameconditionsastheexperimentalenvironmentweresimulatedbythesoftwareCFD.Theaveragedeviationofjfactorbetweensimulationandexperimentalresultsis4.4%，andthemaximumoneis10.7%;theaveragedeviationofffactoris5.73%，andthemaximtransienttechniqueusedinourresearchisreliablehighinefficiency，andtheperformanceparameteshorttime，providingareliableperformancepredicchangers.

　　Keywords：plate-finheatexchanger;transienttec

　　板翅式换热器广泛应用于空分、航天、化工等领域，由于其复杂性，翅片通道的传热因子往往难以确定，板翅式换热器换热性能的研究方法主要分为传统的稳态研究方法和瞬态方法，传统稳态法主要有牛顿换热公式直接求得法、等雷诺数法、威尔逊法[1]、等换热系数等方法。在传统稳态法中，以Kays等的实验最为经典，他们通过风洞实验测试了40多种类型翅片的流动换热性能，并将结果绘制成表格[2]。

　　Wieting通过实验研究了雷诺数低于10000的翅片通道内的流动换热性能，发现了翅片厚度对此工况范围内的翅片性能影响较大[3]。Mullinsen等对板翅式换热器做了可视化的实验，观测到了板翅式换热器在不同雷诺数下的流态情况[4]。Joshi等对板翅式换热器做了相关实验，整理了相应的经验关联式[5]。董军启等完成了16种用于车辆机油冷却的板翅式换热器的实验研究，根据实验结果给出了相应的预测关联式[6]。李媛等通过风洞实验和数值模拟研究了不同类型的板翅式换热器翅片的表面特性[7]。张哲等通过数值模拟研究了影响导流片出口物流分配不均匀的因素[8]。康蕊等通过数值模拟研究了轴向导热对板翅式换热器性能的影响规律[9]。

　　牛顿换热公式直接求得法需直接测取换热器壁温，对于复杂结构的壁面，测量困难、误差大。等雷诺数法要求换热器两侧通道几何相似，同时需要调节两侧通道内流体的流速与温度，在实际应用过程中很难控制。威尔逊法要求换热器两侧流体换热系数差距较大，对于板翅式换热器，工程应用中通常是液体与液体或者液体与蒸汽之间的换热，换热系数差距并不大。等换热系数法假设冷热流体的对流换热系数相等，获得测试数据后进行曲线拟合，该方法实验设备复杂，控制极为困难。采用稳态法对换热器进行测量时仅限于传热单元数较小的设备，当传热单元数较大时，采用稳态法均会产生较大的误差，稳态法实验周期长、效率低、耗资较大。

　　1瞬态测试技术原理

　　1.1瞬态法理论基础

　　瞬态法是在传热元件微元体能量守恒方程基础上提出的，基本模型如图1所示。图中歮为流体质量流量，Aconv为传热面积，h为流体侧换热系数，Cf为流体比热容，Ts为固体温度，Tf为流体温度，X为沿流动方向长度，dUs为固体内能变化。式中：Tf1为流体入口温度;Tf2为流体出口温度;Ti为初始时刻温度;U为流体的传热单元数;K为总传热系数;F0为总传热面积;W为流体的质量流量。可得Tf2=f(Ti，Tf1，U，τ)，通过实验可以测得初始温度Ti、流体入口温度Tf1及出口温度Tf2随τ的变化曲线，然后将实验得到的Tf2与理论计算得到的出口温度曲线配比来确定单元数，进而可求得平均表面传热系数h。瞬态换热实验方法按不同的配比方法分为直接配比法、选点配比法和最大斜率法，按照数学模型中不同的入口温度，函数分为阶跃函数法、部分阶跃法、周期函数法和指数函数法[12-17]。

　　1.2瞬态实验的物理模型处理

　　板翅式换热器结构简图如图2所示。对板翅式换热器作如下简化假设：①介质沿板翅式换热主流方向的长度远大于翅片通道截面尺寸，因此将三维问题简化为沿流动方向的一维问题处理;②实验中空气温升较小，仅从环境温度提升30K左右，可认为流、固体的热物性不变，每次测试针对固定雷诺数工况，可认为流动是稳定均匀的;③对换热器蓄热芯体做绝热处理，可认为换热器芯体与外界绝热;④在对空气进行加热前测量初始温度场，起始时刻为环境温度，可认为初始时刻流体与换热器芯体处于均匀的温度场中。简化后建立物理换热模型如图3所示。

　　2平直型板翅式换热器的瞬态性能数值模拟与实验验证

　　2.1建模与网格划分

　　本文采用47PZ3002型翅片形式的板翅式换热器，换热器通道长度为300mm，翅片通道结构如图由于对整个换热器进行数值模拟难以实现，因此取单个换热通道进行模拟，考虑进出口段对模拟结果的影响，根据文献[19]的结论，不同雷诺数下平直翅片模型入口段长度的计算公式为Le=0.05RePrDh(9)Dh=4XY2(X+Y)(10)3结果对比及分析雷诺数为1500的工况下，运用CFD模拟和瞬态单吹实验获得的换热器进出口温度场随时间的变化如图13所示。由图13可知，数值模拟与实验结果十分吻合，且最大偏差为1%，因此可以认为，CFD数值模拟结果对出口温度场的预测可靠。雷诺数为1500的工况下，换热进行到第9s时换热器内不同位置处空气温度场的分布情况如图14所示。由图14可知，从换热器入口到出口，空气层温度逐渐降低，符合实际的换热规律，且CFD模拟结果与实验结果偏差低于2%。

　　4结论

　　(1)本文采用的瞬态单吹技术对47PZ3002型板翅式换热器的性能预测是可靠的。

　　(2)雷诺数为500～3000时，应用CFD模拟的换热器出口温度场与实验值高度吻合，偏差低于3.1%，可以准确预测换热器出口温度;瞬态技术对换热器内不同位置的温度场预测十分准确，实验值与模拟值变化趋势一致，偏差低于2%。

　　(3)运用瞬态技术对j因子预测的模拟值与实验值随雷诺数变化趋势一致，在雷诺数低于2000时，随着雷诺数的增加，j因子逐渐减小，且在雷诺数较小时变化显著，当雷诺数约为2000时，板翅式换热器内的流动由层流过渡到湍流，换热增强，可知j因子随雷诺数的增加呈现上升趋势，当雷诺数大于2000时，j因子随雷诺数增加逐渐增大，最终出现了缓慢下降的趋势。此外，模拟值与实验值之间的平均偏差为4.4%，最大偏差不超过10.7%。

　　参考文献：

　　[1]史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].南京：东南大学出版社，2014：262-277.

　　[2]KAYSWM，LONDONAL.Compactheatexchang-ers[M].NewYork，USA：McGraw-Hill，1984.

　　[3]WIETINGAR.Empiricalcorrelationsforheattrans-ferandflowfrictioncharacteristicsofrectangularoff-set-finplate-finheatexchangers[J].JournalofHeatTransfer，1975，97(3)：488-490.