凹坑凸胞板式换热器相变换热优化研究 董永申.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号： 凹坑凸胞板式换热器相变换热优化研究 董永申，王定标*，向飒，夏春杰 （郑州大学化工与能源学院 河南 郑州 450001） (Tel E-mail: wangdb@zzu.edu.cn) 摘要：基于ANSYS Workbench，以凹坑流道为研究对象，对凹坑凸胞板式换热器相变换热进行优化研究；以Nu，f和为目标函数，在不同的流动参数Re（雷诺数）下，探究了结构参数R（凹坑半径）、Hd（凹坑深度）和P（凹坑间距）对凹坑凸胞板式换热器相变换热的热-水力性能的影响结果表明：凹坑处水蒸汽体积分数明显高于附近的平板处的水蒸汽体积分数，说明凹坑凸胞板对相变换热也有着很好的强化作用通过对9组优化结果的分析，并结合工程实际，将最优结构参数定为R = 8mm、Hd = 2.5mm、P = 22mm.另外，在考核范围内，得到了热-水力性能的关联式 关键词：热-水力性能；优化研究；凹坑凸胞；相变换热；参数 0 前言 针对烟气余热回收利用中所带来的低温腐蚀问题，杨本洛教授提出了复合相变换热技术[1]相变换热的引入，减小了烟气与受热壁面之间的温差，从而在降低了排烟温度的同时又避免了低温腐蚀装置中的工作介质并非全部发生相变，只有发生相变的部分在该系统中循环流动 复合相变换热器装置中所采用的换热器为板式换热器，关于板式换热器，国内外学者对此也已做了大量的研究.其强化形式更是层出不穷，有波纹板片[2-3]、肋板片[4]、凹坑凸胞板片[5]等等但无论强化形式如何，其强化机理大多在于增加扰流以增强流体的湍动，同时诱发垂直于主流方向的二次流动，以增强传热[6-7]通常，在Re达到几百的时候，板式换热器中的流体已经形成较强的湍流尽管国内外学者对板式换热器已经做了大量的研究，但是由于其结构样式繁多，工作介质多样，发生相变与否对结果影响较大[8-11]，所以其热-水力特性仍然难以达到统一，并且该行业目前仍缺少统一的标准因此，对于板式换热器的研究还有大量的问题亟待解决笔者以复合相变换热器的应用为背景，以凹坑凸胞板式换热器的凹坑流道为研究对象，以Nu，f和为目标函数，以水为介质，在不同的流动参数下，针对其结构参数，对其相变换热情况进行了优化模拟，以期得到不同流动参数下共同的最优结构参数 1 数学模型 1.1 几何模型 凹坑流道的结构参数示意图如图1所示其长度L=300mm，宽度W=120mm，流道高度H=12mm，板面上的凹坑为正三角形分布，即，横向和纵向每排凹坑个数分别为n1和n2分别研究了流动参数速度v（对应雷诺数），结构参数凹坑半径R、深度Hd、横向间距P对流道热-水力性能的影响，其中，D=2R 1.2 优化模型 基于Design Exploration模块的多目标驱动优化方法，以Nu，f和为目标函数，在不同的速度v（对应雷诺数）下，针对结构参数进行优化模拟。流动参数 v 的范围为0.03~0.27 m·s-1，步长为0.03 m·s-1。各结构参数间满足以下约束条件：R min ≥ Hd ；P＞D max；W ＞ (n1-1) P max+ D max；L＞(n2-1)S max+ D max.各输入参数范围如表1所示 1.3 优化设置 Fluent中，对于各个考核点的凹坑流道采用RNG k-ε模型和增强壁面函数进行数值模拟[12]，分别求解了连续性方程、动量方程和能量方程，如式（1）、（2）、（3）所示 (1) (2) 。 (3) 式中，为流体密度；为速度矢量；p为静压力；为应力张量，；为流体质量力；D为全微分，；为源项（可以包括其它模型源项或者用户自定义源项）；为流体内能；；为流体温度；为流体粘性系数；为流体的有效导热系数；为流体比热；为热流通量；为粘性耗散函数（耗散功）；为内热源，如化学反应热、辐射热等。 同时，引入了Mixture 模型，定义液态水为第一