黃風良,孫志堅,李鵬程,顧金芳,胡亞才

（1.浙江大學熱工與動力系統(tǒng)研究所,浙江杭州310027；2.浙江開爾新材料科技股份有限公司,浙江金華321031）

帶擾流孔波紋板的傳熱和阻力特性

黃風良1,孫志堅1,李鵬程1,顧金芳2,胡亞才1

（1.浙江大學熱工與動力系統(tǒng)研究所,浙江杭州310027；2.浙江開爾新材料科技股份有限公司,浙江金華321031）

通過數值模擬方法分析DU-1（雙皺紋型）波紋板通道內不同Re數下的溫度場、速度場以及壓力場,提出在DU-1板上開圓形擾流孔以增強傳熱效果.針對波紋通道內波紋板和定位板與空氣層傳熱接觸面積的不同,拓展了單吹技術數學模型.考慮擾流孔孔徑、間距、位置以及排列方式4種影響因素,利用正交實驗法對開擾流孔后DU-1板的傳熱和阻力特性進行系統(tǒng)研究,分析4種因素的影響規(guī)律.利用綜合平衡分析法得出提高DU-1板傳熱效果和降低流動阻力的最佳水平組合.通過試驗驗證發(fā)現,該帶擾流孔DU-1波紋板相對于無擾流孔時傳熱特性增加19.87%,流動阻力減少24.53%.

回轉式空預器；波紋板；擾流孔；單吹技術（STB）；傳熱和阻力特性

回轉式空氣預熱器是燃煤電廠中一個重要的組成,因為它可以回收煙氣中的低品位熱能［1］.回轉式空氣預熱器通常由密集包裝的傳熱波紋板組成,因此傳熱波紋板是回轉式空預器的核心部件,波紋板的結構決定回轉式空預器的傳熱特性、流通阻力等情況,而傳熱特性直接關系到回轉式空預器的效率［2］.因此,加強空氣預熱器傳熱波紋板的基礎理論研究和產品開發(fā),對于降低生產成本,減少運行維護費用,節(jié)約能源和金屬材料消耗,具有重要的意義.

目前應用較多的傳熱波紋板型有雙皺紋型（DU板）、人字板型（CC板）、皺紋板型（CU板）以及雙切口板型（DN板）,國內常用的為DU板和CC板［2］.因有較高的熱力特性、較低的阻力、簡單的結構及較高的硬度,CC板被大量的研究和應用［3-10］,但由于商業(yè)專利限制,目前對DU板基本沒有公開文獻可以參考.

本文通過對回轉式空預器熱段常用波紋板DU-1的數值模擬,分析通道內溫度場、速度場及壓力場后,提出在波紋板上開圓形擾流孔以增強傳熱效果.針對波紋通道內波形板定位板與空氣層傳熱接觸面積的不同,對實驗段內的傳熱進行分析,拓展了單吹技術（single blow technology,STB）數學模型.考慮圓形孔徑、間距、位置及排列方式的影響因素,利用正交實驗法安排實驗對開擾流孔后DU-1板的傳熱和阻力特性進行系統(tǒng)研究,根據實驗結果詳細分析4種因素的影響規(guī)律.

1 數值模擬

1.1 計算網格與模型

DU-1板由DU板改良而成,由定位板與波形板交替疊加而成.波形板為傾斜30°的波紋,定位板由切口、波紋交替連接組成,定位板與波形板波紋傾斜方向相反,擺放結構如圖1（a）所示.通道內交錯的波紋打斷了邊界層的發(fā)展,增強了換熱,切口位置的通道縱向豎直,這為有效地探測著火點提供了方便.

取DU-1波紋板通道的一個單元進行研究,利用區(qū)域分解法,采用非結構化Tet／Hybrid網格.通過局部加密改善網格質量,通過網格質量檢查可知,最大歪斜率（skewness）為0.883.

通過對比試驗,Ciofalo等［5］發(fā)現,在模擬CC波紋板通道流動的5種模型中,最好的是標準k-ε模型（LBKE）.LBKE的缺點是對強分離流動、包含大曲率的流動和強壓力梯度流動的模擬結果較差, RNG k-ε模型是標準k-ε模型的改進模型,RNG k-ε模型在強流線彎曲、漩渦和旋轉方面比標準k-ε模型具有優(yōu)勢［11］.RNG提供了一個低雷諾數的解析公式,能夠較好地解決局部低雷諾數的流動模擬,因此,本文選擇RNG k-ε模型.

圖1 DU-1波紋板幾何結構Fig.1 DU-1 geometry

1.2 計算方法

定義上、下波形板面為恒壁溫（400 K）,壁面厚度為0.5 mm,定位板的上、下面為流固耦合面.

通道進口速度、溫度分布均勻（300 K）,通道出口為壓力出口,通道左、右面為對稱邊界條件.計算沿著流通方向進行,直到計算結果收斂.空氣的密度、比熱容、熱導率以及黏性都設置為溫度的二次函數.

通過SIMPLE模型求解N-S方程,通過QUICK模型求解對流關系,同時通過二階中心差分方法求解擴散項.檢測殘差、出口壓力、溫度、速度及能量守恒方程以判斷計算是否收斂.

1.3 結果分析

如圖2～4所示為不同Re數下,L-L截面（見圖1（b））的溫度場、速度場以及壓力場.由圖2可知,DU-1通道內,隨著Re的增大,空氣溫度分布愈加不均勻,在定位板與波形板通道面積較大的地方,傳熱效果相對變差.由圖3可知,同一Re條件下, DU-1通道內的空氣流速分布很不均勻,流通面積較大的地方速度較小,波形板與定位板距離較近的地方,流動速度較大.隨著Re的增大,通道內流動不均勻性增加.由圖4可知,在兩塊波形板與一塊定位板組成的2個通道內,靜壓分布很不均勻,并且下通道靜壓比上通道大.

在中間定位板上開圓形擾流孔,借助上、下通道壓力差,產生回流,增強傳熱效果.同時,擾流孔消除局部大速度,通道空氣速度分布更加均勻,整個通道內的傳熱效果得以增強.據此,本文提出在DU-1板上開圓形擾流孔以提升傳熱效果.

圖2 L-L截面不同Re下溫度分布Fig.2 Temperature fields in section L-L

圖3 L-L截面不同Re下速度分布Fig.3 Velocity fields in section L-L

圖4 L-L截面不同Re下靜壓力分布Fig.4 Pressure fields in section L-L

2 實驗研究

2.1 單吹技術

瞬態(tài)對流實驗法是一種獲得加熱面對流傳熱系數的實驗方法,通常由3個元素組成：作為傳熱分析的單元實驗段、關聯測量溫度與傳熱系數的計算模型、評估測量溫度曲線與計算溫度曲線的機制［12］.單吹技術（SBT）是一種應用單一流體的相對簡單的瞬態(tài)實驗方法.在單吹技術中,進口流體溫度隨時間而變化,相應的出口流體溫度曲線被記錄下來.記錄的出口流體溫度曲線隨后和模型計算出來的出口流體溫度曲線進行比較,以確定平均傳熱系數［13］.相對于穩(wěn)態(tài)實驗方法,單吹技術有幾個優(yōu)點：實驗裝置簡單且對每個數據的實驗時間相對較短；無需測量瞬態(tài)過程中復雜變化的板溫.

本實驗要在DU-1板上開擾流孔,通常意義的穩(wěn)態(tài)實驗無法進行,因此采用單吹技術進行實驗.

2.2 實驗數學模型

單流體吹動技術問題的數學模型和解析解最初由Schumann［14］提出,Pucci等［15］對瞬態(tài)對流傳熱法的基礎理論作了很好的歸納.Liang等［13］提出一種改進的瞬態(tài)對流實驗法,以減少假設入口流體溫度是階躍變化引起的誤差.Mullisen等［16］通過數值模擬擴充了Liang等［13］的分析.他們的方法被視為是解決瞬態(tài)實驗數據最好的方法,本文考慮到DU-1波形板與定位板與空氣換熱接觸面積不同,在文獻［16］的基礎上進行傳熱分析.

本文的實驗空氣及波紋板溫升都小于30℃,物性變化可以忽略,故本文的假定如下.

1）空氣和實驗段波紋板的密度、比熱容和導熱系數等熱物性參數近似不變.

2）空氣勻速流動,并且在矩形截面上是均勻分布的［17］.

3）沿空氣流動的垂直方向,空氣和波紋板的溫度近似不變.

4）實驗段的外邊界散熱量可以忽略.

實驗段部分如圖5所示.Sheer等［18］提供的方法是用來定義控制容積的,本文針對波形板、定位板與空氣層傳熱接觸面積不同,單位長度d x內的能量轉換過程如圖6所示.能量轉換方程如下：

圖5 DU-1實驗段示意圖Fig.5 DU-1 plate test core

圖6 控制體積內能量方程Fig.6 Energy balance inside a control volume

相應的初始條件和邊界條件如下：

式中：ρ為密度；δ為厚度；k為導熱系數；c為比熱容；T為溫度；t為時間；h為平均對流傳熱系數；x為沿流向的坐標；W為表面換熱面積；下標s1、s2、f分別表示波形板、定位板和空氣層,Tin和Tout為測得的進、出口流體溫度.

式（1）～（3）通過控制容積積分法可以轉化為有限差分方程［19］.離散后的方程如下.

離散化方程的起始和邊界條件如下：

離散方程通過陶文銓［19］推導的三對角陣算法解得.為了求得傳熱系數h,首先假設h,利用式（10）～（12）求解式（7）～（9）,將求解出來的溫度與實際測量值進行比較.通過改變h進行迭代計算,直到求解出來的溫度與實際測量溫度相差在設定范圍內.

2.3 實驗裝置及步驟

如圖7所示為實驗裝置的示意圖,是一個帶有130 mm×63.5 mm×600 mm試驗段的風洞.整流段保證進入試驗段內的空氣均勻而平穩(wěn),電阻加熱器能夠把進口空氣溫度加熱30℃,試驗段周圍敷有保溫材料以保證絕熱邊界條件.

試驗段進、出口通道各均勻布置9個熱電偶以采集空氣溫度,溫度測試誤差為±0.5℃.試驗段進出口周圍各均勻布置8個靜壓測口,壓差通過補償式微壓計測得,誤差小于0.3 Pa.通過風機風閥不斷改變空氣流速,在整流段后面通道的中央位置用熱線風速儀測量風速,誤差小于5%.

實驗步驟為首先開啟風機,打開34970A型溫度采集儀,調整空氣流速,待實驗段進出口溫度達到一致后打開電阻加熱器.數據采集儀以1 Hz的頻率記錄空氣溫度,持續(xù)時間為600 s,同時記錄試驗段的阻力.在不同流速下分別進行實驗,可以獲得柯本因子數j和達西阻力系數f與Re數的關系.

圖7 單吹實驗裝置Fig.7 STB test apparatus

2.4 正交實驗方法安排實驗

為了系統(tǒng)地對帶擾流孔DU-1板傳熱和阻力特性進行研究,考慮擾流孔孔徑、間距、位置以及排列方式4種影響因素以設計實驗.考慮到DU-1板上開擾流孔加工的經濟性,本文的加工方案為先在平直板上沖壓打孔,然后再擠壓成波.如圖8所示,擾流孔在板上的分布方式分為順排為與叉排2種.

DU-1板當量直徑ddl為9.96 mm,擾流孔直徑d取為4、6、8 mm,孔間距S取為12、16、20 mm,孔位置分為：定位板上開孔、波紋板上開孔、波紋板定位板都開孔（后簡稱為都開孔）,排列方式為順排與叉排.

采用正交試驗設計法［20］設計實驗,采用正交試驗表中的L9（34）安排試驗.除去無擾流孔DU-1板,對9種開擾流孔DU-1板進行試驗,以全面判斷,4種因素對DU-1板傳熱和阻力特性的影響, 9種板型如表1所示.

圖8 擾流孔排列方式Fig.8 Arrangement of spoiler holes

表1 正交試驗安排板型結果Tab.1 Plate model results through orthogonal experiments

首先對無擾流孔DU-1板的傳熱和阻力特性進行試驗研究,然后對9種開擾流孔的DU-1板進行研究,分別將它們的傳熱與阻力特性與DU-1基板進行比較.

2.5 數據分析及討論

實驗中求得換熱系數h最終轉化成無量綱柯本因子數j,

實驗段內壓力損失以無量綱達西摩擦系數f表示,計算式為

式中：Kc和Ke為實驗段進出口壓力損失系數［1］.

圖9展示了無擾流孔DU-1板典型的測量出口溫度與單吹模型理論計算出口溫度比較圖.圖9中,理論計算的出口空氣溫度曲線與實驗測量出口溫度曲線在h＝62.08 W／（m2·K）時很匹配,理論和實驗溫度的均方根差為0.349 K.

圖10、11展示了測得的無擾流孔DU-1板與文獻［18］的DU板的實驗值的比較.當Re為1 000～11 000時,DU-1板的傳熱特性平均比DU波紋板低17.41%,但是流動阻力平均比DU波紋板低55.96%,說明DU-1板改善了DU板的傳熱和阻力特性.

通過實驗得到9種開擾流孔DU-1板的實驗數據,當Re為1 000～11 000時,分別將各開擾流孔DU-1板柯本因子數j以及達西阻力系數f與無擾流孔DU-1板進行比較,求出此Re數范圍內的平均差值,如表2所示.

圖9 Re＝3 805時實驗數據記錄Fig.9 Experimental data processing for Re＝3 805

為了得到每個因素各水平對最終實驗結果的影響,將每個水平上的重復實驗指標數據求和,稱為指標和,用Ki（i表示水平順序號）表示,對其求平均為指標平均值,用表示.為了了解各因素對結果的影響作用大小,引入極差R,R為諸因素各水平中的最大值與最小值的差值.R大說明其對實驗指標的影響大,R小說明對實驗指標的影響?。?0］.在本文研究中,帶擾流孔DU-1板的傳熱特性相對于無擾流孔DU-1板增大越多越好,阻力特性則減少越多越好.

圖10 DU-1板與DU板的j比較Fig.10 Comparison of j data of DU-1 with DU

圖11 DU-1板與DU板的f比較Fig.11 Comparison of f data of DU-1 with DU

表2 正交試驗結果Tab.2 Results of orthogonal experiments

2.5.1 傳熱特性 由表3可知,隨著擾流孔直徑的增大,相對于無擾流孔DU-1板,指標平均值逐漸減小.在本文的研究范圍內,隨著擾流孔直徑的增大,帶擾流孔的DU-1板傳熱特性的增加量減小.由擾流孔位置及排列方式的指標平均值可知：定位板上開擾流孔的傳熱特性效果增加最明顯,波形板上開孔時傳熱特性增加量比在定位板上開孔時稍微少一些,定位板波形板都開孔時,傳熱特性增加最不明顯；孔順排布置傳熱特性增加量比叉排布置時大.

對于擾流孔間距,在本文的研究范圍內,當擾流孔間距從12 mm增大到20 mm時,傳熱特性增加量先減小后增大.

表3 各因素對傳熱效果的影響Tab.3 Influences to heat transfer characters of four factors %

由表3的R值比較可知,擾流孔在DU-1板上的開孔位置對最終傳熱特性的影響作用最大,孔排列方式次之,孔間距的影響在第3位,孔直徑的影響最不明顯.

2.5.2 流動阻力 由表4可知,在本文的研究范圍內,隨著擾流孔直徑的增大,帶擾流孔的DU-1板流動阻力較無擾流孔DU-1板逐漸減小.分析孔排列方式的影響可知,在叉排排列時,流動阻力減少量大于順排排列.

對于孔間距,在本文的研究范圍內,當間距從12 mm增大到20 mm時,流動阻力減少量先減小后增大.

對于孔位置,由表4可知,當孔布置在定位板上時,流動阻力平均減少17.72%；布置在波形板上時流動阻力增加5.42%；當定位板波形板都布置時,流動阻力減少18.62%.

由表4的R值比較可知,擾流孔孔直徑對最終流動阻力的影響作用最大,孔位置次之,孔間距影響在第3位,孔排列方式影響最不明顯.

利用綜合平衡分析法［20］分析擾流孔孔徑、間距、位置以及排列方式4種影響因素對開擾流孔DU-1板傳熱和阻力特性的影響,綜合平衡熱特性和流動阻力,得出理論最優(yōu)水平組合如下：孔直徑為8 mm、間距為20 mm、定位板開孔、順排,此時的帶擾流孔DU-1板具有傳熱特性增加和流動阻力減少的最好效果.

表4 各因素對阻力特性的影響Tab.4 Influences to resistance characteristics of four factors

通過對該種帶擾流孔DU-1板的驗證實驗發(fā)現,傳熱特性較無擾流孔DU-1板增強19.87%,流動阻力減少24.53%.

3 結 論

（1）本文通過對回轉式空預器熱段常用波紋板型DU-1流道內傳熱和流動的數值模擬,研究不同雷諾數下流道截面上的溫度場、速度場以及壓力場,提出在DU-1板上開圓形擾流孔,產生回流以增強傳熱效果.

（2）針對DU-1板通道內波形板和定位板與空氣層傳熱接觸面積的不同,對試驗段內傳熱進行分析,拓展了單吹技術（STB）數學模型.實驗結果表明,本文模型的傳熱計算精度很高.

（3）考慮圓形擾流孔孔徑、孔間距、孔位置以及孔排列方式的影響因素,利用正交實驗法安排試驗.通過對試驗結果的分析,詳細討論4種因素對DU-1板傳熱和流動阻力的影響規(guī)律.

（4）通過綜合平衡分析法,得出提高DU-1板傳熱效果和降低流動阻力的最佳水平組合.通過實驗驗證發(fā)現,此種帶擾流孔DU-1板比無擾流孔DU-1板傳熱增強19.87%,流動阻力減少24.53%.

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Heat transfer and resistance characteristics of corrugated plate with spoiler holes

HUANG Feng-liang1,SUN Zhi-jian1,LI Peng-cheng1,GU Jin-fang2,HU Ya-cai1
（1.Institute of Thermal Science and Power Systems,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China；2.Zhejiang Kaier New Materials Corporation,Jinhua 321031,China）

The temperature fields,velocity fields and pressure fields in the passage of double corrugated（DU）-1 plate at different Re were simulated through the simulation.The simulation round spoiler holes was proposed to enhance heat transfer of DU-1 plate.The mathematical model of single blow technology（STB）was developed according to the difference of heat transfer area of positioning plate and corrugated plate with air in the passage.Considering diameter,spacing,position and arrangement of the round holes, orthogonal experiments which could considerably increase experiment efficiency were conducted to determine the experimental plate models.The overall mean heat transfer coefficients and friction factors were measured through single blow technology experiments.The influence of four factors to heat transfer and resistance characteristics of DU-1 with round holes was discussed through the analysis of experimental results.The best combination of the four factors which could enhance heat transfer and reduce flow resistance to the best of DU-1 was raised through consolidated balance analysis.The DU-1 plate has 19.87%increase in heat transfer and 24.53%reduction in flow resistance compared with DU-1 without round holes.

rotary air preheater；corrugated plate；spoiler hole；single blow technology（STB）；heat transfer and resistance characteristics

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.07.006

TK 124

A

1008- 973X（2015）07- 1242- 07

2014- 07- 05. 浙江大學學報(工學版)網址：www.journals.zju.edu.cn／eng

金華市科學技術研究計劃重點資助項目（20131031）.

黃風良（1989－）,男,碩士生,從事換熱器強化傳熱、空氣預熱器熱力計算等研究.E-mail：huangfl_123＠163.com

孫志堅,男,副教授.E-mail：sun_zju＠126.com