双V型波纹板式换热器的数值研究

周乃香，冷学礼，王树军

（1.山东省城乡规划设计研究院，山东济南　250013；2.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061；3.新泰市新城热力有限公司，山东泰安　271000）

双V型波纹板式换热器的数值研究

周乃香1，2，冷学礼2，王树军3

（1.山东省城乡规划设计研究院，山东济南250013；2.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061；3.新泰市新城热力有限公司，山东泰安271000）

利用三维模拟研究了双V型波纹板式换热器内部的换热阻力特性、换热面的温度分布，以及波纹通道内流动形态。结果表明，传热系数K、进出口压降随着Re的增大而增大，数值模拟结果可以较好吻合试验趋势。相比RNG k-e，SST k-w湍流模型所得的结果与试验结果吻合更好。波纹板片均流区的压降占整个通道压降损失的10%～20%，合理设计此部分区域可以提高整个板式换热器运行的经济性。在上下壁面接触点附近存在复杂的二次流，此部分区域的漩涡会减弱流动及换热边界层，强化换热。由于漩涡流向与槽道走向并不一致，漩涡的存在同时会加大压降损失。同时，双V型波纹板片较好地削弱了流体分配不均匀的现象。

板式换热器；数值模拟；换热；压降

0　引言

板式换热器作为一种高效、紧凑的换热器，具有传热效果好、灵活适应生产中热负荷变化、清洗拆卸方便、造价低等优点，在食品加工、石油化工、余热回收等领域广泛使用［1］。近些年，供热管网多采用“三环制”方案，其主要实现方法为:通过换热器将一、二级管网分隔开来，将各供热站加热器二次侧与用热用户的循环构成第三环。“三环制”方案可以大幅增强热网管理的灵活性及运行的可靠性。当前，板式换热器已成为集中供热间接式换热机组的核心部件。

对于板式换热器的研究，主要采用试验测定与数值模拟的方法。Focke等［2］利用有限扩散电流技术，分析了波纹角度对换热和阻力特性的影响，得到了人字形换热器内部的两种基本流型:十字交叉流与曲折流。Takahiro等［3］的试验结果表明，流道内的漩涡流动提高了板式换热器的换热系数，但同时也加大了压降损失。周明连［4］通过流型观测指出板式换热器内的偏流现象降低了换热器的传热性能。赵镇南［5］的试验结果表明，人字形波纹倾角是影响板式换热器性能的重要几何参数，其通过改变流动形态来影响换热器的传热阻力性能。Aydin等［6］通过试验对三种不同类型的板式换热器进行了研究，得出由于高换热系数伴随着高压降，在选择板式换热器时应综合考虑各种因素的结论。

试验测定由于测点限制无法获得板式换热器内部流场及温度场，为更进一步地研究板式换热器内部流动形态，很多学者采用了数值模拟方法。Wang等［7］利用数值模拟的方法研究了周期性波纹通道，指出二次漩涡的存在增强了流体的换热系数；Metwally等［8］对通过正弦波纹通道的层流区流体进行了数值研究，结果表明波纹通道产生了横向漩涡，减薄了流体边界层，增强换热效果；张井志等［9］对板式换热器单流道模型进行了研究，指出合理选择触点分布可进一步强化其换热效果；赵元东等［10］分析了热混合板式换热器内换热阻力特性，结果表明换热系数随着入口流速的增大而增大，场协同性降低；乔晓刚等［11］对影响人字形波纹板式换热器的三个重要因素进行了数值研究，指出最优波纹倾角在60°左右；夏翔鸣等［12］对人字波纹换热器进行数值分析，指出流场中的纵向涡减薄了边界层，提高了流体的协同性。

现阶段，对于板式换热器的数值研究，主要是针对换热区，几何模型多为单通道，对于全场的数值模拟以及冷热流体耦合的分析还不足。文中主要对一种双V型波纹板式换热器建立三维全场模型，分析其压降、换热及流动特性，旨在提供一个更为详尽的板式换热器全场流动分析，增强对板式换热器内部流动的认识。

1　物理模型及数学描述

利用ProE三维建模软件建立板式换热器全板模型，如图1所示。

图1　计算模型

其中图1（a）为单一板片模型，图1（b）为人字形板式换热器双流道模型。双流道模型主要采用3块板片叠加构成，其中上下板片设定为绝热边界条件，中间板片设定为耦合换热边界条件，以考虑冷热流体间的对流换热情况。本文模拟过程中，并未考虑壁面厚度，对于壁面采用薄壁模型。采用四面体网格，在ICEM中完成计算域网格划分，并对换热区进行局部加密，网格数量大约为400万。冷热流体逆向流动，入口采用速度入口边界条件，出口均采用压力出口边界条件。

计算域的控制方程如下。

质量连续方程:

动量守恒方程:

能量方程:

由于波纹通道内存在边界层的脱离，流动形态更为复杂，板式换热器在较小的入口流速下即可达到湍流流态。而常规的标准k-e双方程模型对于板式换热器的模拟，难以达到其精度要求。文中主要采用SST k-w与RNG k-e湍流模型考虑板式换热器内部的湍流模拟，两种模型均对有旋流的湍流运动具有较好的预测性与精度。

2　计算结果与讨论

2.1换热特性

图2示出文献［13］中的试验传热系数K与文中模拟结果随Re的变化情况。可以看出，传热系数K随着Re增大而增大，基本呈现线性关系。Re的增大提高了通道内部的湍流度，增强了边界层的脱离，强化传热效果。数值模拟结果可以较好吻合文献［13］中的试验结果趋势，但其值低于试验结果。相对试验研究，数值模拟更趋于理想化，如入口假设为充分发展，上下板片设定为绝热边界。相对RNG k-e模型，SST k-w湍流模型更接近模拟结果，数值误差大约在20%以内。

图2　传热系数随Re的变化规律（模拟结果与试验结果对比）

2.2压降特性

图3示出文献［13］中试验冷、热侧流体压降与本文模拟结果随Re的变化情况。与传热系数K的规律类似（见图2），压降随着Re增大而增大；不同之处在于压降随Re增大的上升趋势同时随着Re的增大而增大。通过提高入口流速来提高板式换热器的换热性能，在高Re下会遇到压降损失过大的问题。相对提高进口Re，提高波纹板片的数目（增大换热面积），其经济性能更为优越。

Re的增大提高了湍流度以及流道内的漩涡强度，由于漩涡流动方向与主流方法并不一致，会导致压降损失的提高。从图3可以看出，对于两种湍流模型，其模拟得到的压降损失基本一致，但在高Re时、同时都高于试验值，误差大约在30%以内。板式换热器全场模拟的难点在于网格划分，尤其是针对复杂波纹表面的划分情况，过低的网格密度难以捕捉板片的具体细节，而过高的网格分布则对计算资源要求很大。

对于换热与压降模拟结果与试验结果的相对误差，可以看出，相对RNG k-e模型，SST k-w湍流模型可以更为精确的吻合试验结果。在类似的板式换热器流动换热模拟中，推荐利用SST k-w模型考虑波纹通道内的湍流流动。

图3　进出口压降随Re的变化规律

2.3耦合面的温度分布

图4示出波纹板片耦合换热面的温度分布。可以看出，沿着热水侧进口至出口方向，温度逐渐降低。热水由左侧进入，右侧流出；冷水由右侧进入，左侧流出，耦合面上的温度分布与上述逆流流动形式相符。高温区主要分布在左侧，低温区在右侧。对于正弦波纹板片，其波峰位置所对应的板片温度要高于波谷位置。而对于整个传热过程，在靠近上下壁面接触点位置，由于流体的扰动最剧烈，换热系数最好，对应于图中温度分布片状区域。在本文模拟中并未有明显的温度分配不均匀的现象，这表明此种双V型人字形波纹板片较好地削弱了流体分配不均匀的现象。

图4　耦合面的温度分布

2.4冷水侧的压力分布

图5示出冷水侧的压力分布。可以看出，压力在均流区有较大的变化，而在主换热区域，流体压力基本沿着流动方向均匀降低。对于双V型板式换热器，在同一波纹板片褶皱上压力相等。同时从图5中可以看出，对于板式换热器，其均流区压降损失大概可以占整个流道压降损失的10%～20%，合理设计均流区的形状，可以有效地降低整场压力损失，强化波纹板片的综合性能，进而提高其经济运行效率。

图5　冷水侧的压力分布

2.5波纹通道内的流动迹线及速度矢量

图6示出冷水侧的流体通道内的流动迹线。可以看出，交错的波纹板片组成的流道内存在复杂的流动形态，流线开始于入口处，流经导流区，进入主换热区，最后流出换热通道。文中模拟冷热侧板片采用单边流布置，流体更倾向于从流动阻力较小的区域流动，即冷水侧进、出口连线方向；而对于耦合面的上半部分，由于流体流程较长，阻力相对较大，流体分布较少。整个流动形态呈现“曲折流”，在接触点附近，流体流道上下壁面之间的区域产生复杂的三维漩涡流动。此部分区域的漩涡，一方面减弱了流动边界层以及热边界层；另一方面可以加强流道中心区域的流体与近壁面附近的流体的混合，强化换热。漩涡的方向与流道方向不一致，属于复杂的二次流，此类漩涡同时也增大了压强损失。

图6　冷水侧的流体通道内的流动迹线以及局部放大图

图7示出流体通道的截面速度矢量分布。可以看出，在波纹通道内，上下流道内存在方向相反的漩涡流动。在通道内，流体一方面沿着波纹槽道从入口向出口流动；另一方面在上下壁面触点附近，核心区域与近壁区域进行掺混，提高了换热性能。

图7　XZ截面速度矢量分布

3　结论

文中采用RNG k-e与SST k-w湍流模型，研究了一种双V型板式换热器内部的流动换热情况，模拟结果与文献的试验数据进行对比，得到如下结论。

（1）传热系数与进出口压降随着入口Re的增大而增大，其中压降随着Re的增大趋势在高Re下逐步增大。相比RNG k-e，SST k-w湍流模型所得的模拟结果与试验值吻合更好，在类似的板式换热器模拟中推荐采用SST k-w湍流模型来考虑波纹通道内的湍流运动。

（2）正弦波纹板片，其波峰位置所对应的板片温度要高于波谷位置，双V型波纹板片可以较好地削弱流体分配不均匀的现象。

（3）波纹板片均流区的压降占整个通道压降损失的10%～20%，合理设计此部分区域可以提高整个板式换热器运行的经济性。

（4）在上下壁面接触点附近存在复杂的二次流，此部分区域的漩涡会减弱流动及换热边界层，强化换热。由于漩涡流向与槽道走向并不一致，漩涡的存在同时会加大压降损失。

［1］刘巍，朱春玲.分流板开孔面积对微通道换热器流量分配的影响［J］.流体机械，2014，42（1）:6 -10.

［2］Focke W W，Zachariades J，Olivier I.The effect of the corrugation inclination angle on the thermo hydraulic performance of plate heat exchangers［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1985，28（8）:1469 -1479.

［3］Takahiro Adachi，Yamato Tashiro，Hirofumi Arima，et al.Pressure drop characteristics of flow in a symmetric channel withperiodically expandedgrooves［J］. Chemical Engineering Science，2009，64（3）:593 -597.

［4］周明连.板式热交换器流动分布的理论分析与试验研究［J］.北方交通大学学报，2001，25（1）:67 -70.

［5］赵镇南.板式换热器人字波纹倾角对传热及阻力性能影响［J］.石油化工设备，2001（S1）:1-3.

［6］Aydin Durmus，Hüseyin Benli，Kurtbas，·I irfan，etal.Investigation of heat transfer and pressure drop in plate heat exchangers having different surface profiles［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52（5-6）:1451-1457.

［7］Wang G，Vanka S P.Convective heat transfer in periodic wavy passages［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1995，38（17）:3219-3230.

［8］Metwally H M，Manglik R M.Enhanced heat transfer due to curvature-induced lateral vortices in laminar flows in sinusoidal corrugated-plate channels［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47（10-11）:2283-2292.

［9］张井志，田茂诚，张冠敏，等.板式换热器触点分布对换热阻力性能的影响［J］.山东大学学报（工学版），2012，42（6）:121-126.

［10］赵元东，张井志，张冠敏，等.热混合板式换热器换热阻力性能［J］.压力容器，2013，30（8）:46-53.

［11］乔晓刚，李鹏，崔立棋，等.三个关键几何参数对人字形波纹钎焊板式换热器换热性能影响的分析［J］.制冷与空调，2011，11（4）:121-128.

［12］夏翔鸣，赵力伟，徐宏，等.波纹通道换热特性的三维数值研究和场协同分析［J］.制冷技术，2011，38（10）:38-45.

［13］张井志.人字形板式换热器换热流动特性的数值分析与试验研究［D］.济南:山东大学，2013.

Numerical Simulation of a Double V Pattern Corrugation Plate Heat Exchanger

ZHOU Nai-xiang1，2，LENG Xue-li2，WANG Shu-jun3
（1.Shandong Urban and Rural Planning and Design Institute，Jinan 250013，China；2.School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；3.Xintai New City Heating Power Co.，Ltd.，Tai'an 271000，China）

Heat transfer characteristics，pressure drops，temperature distributions at the heat transfer plate，and flow patterns in the corrugation passage of a double V type commercial plate heat exchangerwere investigated numerically.The results indicate that the heat transfer coefficients K and pressure drops increase with increasing Re.The numerical data fit well with the experimental results.Compared with the RNG k-e turbulencemodel，the numerical results obtained with the SST k-w model show better agreementwith the experimental results.The pressure drop in flow equalization region is about10%～20%of the total pressure drop，which indicates thata reasonable design of this region will improve the overall performance of plate heatexchangers.A complex second-order flow is observed near the contact points.These vortexes will thin the flow boundary layer，thus enhance the heat transfer process.It should be noted that the direction of these vortexes is different from that of corrugation passage，and the vortexwill increase thepressure drops too.This double V type commercial plate heat exchanger can weaken the flow misdistribution in the corrugation passages.

plate heat exchangers；numerical study；heat transfer；pressure drop

TH49；TQ050.2；TQ051.5

A

1001-4837（2015）11-0027-06

10.3969/j.issn.1001-4837.2015.11.005

2015-06-15

2015-08-17

周乃香（1987-），女，工程师，主要研究方向为强化换热与节能技术，通信地址:250013山东省济南市解放路9号山东省城乡规划设计研究院，E-mail:zjzsdu@ 163.com。

山东省科技发展计划（2012GGX10421）