Influence of the geometry of plate heat exchanger inlet manifold on the hydraulic unevenness of heat carrier flow

Abstract

The article describes the analysis of the influence of different geometry on the hot heat carrier inlet nozzle plate air-to-air heat exchanger on unevenness of flow distribution through the matrix channels. The authors compare the geometry of the existing structure and the most promising design solutions.

Full Text

Опыт эксплуатации пластинчатого воздухо-воздушного теплообменника показал наличие неравномерности эпюр скоростей охлаждаемого воздуха во входной крышке и, соответственно, матрице теплообменника. Это позволяет сделать выводы о повышенном гидравлическом сопротивлении теплообменника, что приведет к снижению эффективности и является причиной известных прочностных проблем теплообменника. Снижение данной неравномерности позволит теплообменнику на переходных режимах нагреваться и остывать равномернее, тем самым избегая нежелательных больших разниц температур соседних участков паяной алюминиевой матрицы. Для решения поставленной задачи были произведены гидравлические расчеты пластинчатого воздухо-воздушного теплообменника с различными геометриями входного коллектора по горячему теплоносителю. Коллектор с измененным углом поворота входного патрубка Коллектор с увеличенным проходным сечением входного патрубка Коллектор с рассекающей поток вставкой На рассмотрение были взяты следующие варианты конструкции: 1) коллектор с измененным углом поворота входного патрубка; коллектор загнут под более крутым углом для направления потока ближе к центру матрицы; 2) коллектор с увеличенным проходным сечением входного патрубка; коллектор сделан с большим диаметром входного патрубка для изначального перераспределения теплоносителя по большему количеству теплопередающих каналов. 3) коллектор с рассекающей поток вставкой; вставка служит для задания оптимального направления потока при минимальном дополнительном гидравлическом сопротивлении. Расчеты проводились в конечно-элементном комплексе Ansys CFX. В качестве граничных условий для решения задачи задавались: расход охлаждаемого и охлаждающего воздуха, температуры, давления, соответствующие условиям расчета исходной конструкции теплообменника. Следует отметить, что модель, используемая в расчете, упрощена. Каналы между разделительными пластинами не содержат теплопередающие гофры, необходимые для детального моделирования гидравлического процесса течения теплоносителей и теплообмена. Однако модель полезна для оценки гидравлических характеристик, в частности распределения потока в коллекторах и матрице, для качественного, но не количественного представления о характере течения и поле распределения температуры и скоростей в матрице и крышках. Стандартная модель коллектора По результатам расчетов были определены: ΔР потери напора на гидравлическое сопротивление в коллекторах, ξ коэффициент потерь. Посчитана неравномерность распределения расхода ε по сечению матрицы теплообменника. Проведен сравнительный анализ полей распределения скоростей и температур охлаждаемого воздуха исходной конструкции теплообменника с предлагаемыми конструкциями. (1) (2) (3) Результаты расчетов представлены в таблице 1. В качестве выводов можно привести следующие утверждения: · Для существенного улучшения распределения потока охлаждаемого воздуха необходимо кардинально пересмотреть геометрию входной крышки, что может повлечь за собой изменение габаритных и присоединительных размеров, вариации можно проводить и при сохранении важных размеров неизменными. · Представленный материал по оптимизации геометрии входных коллекторов пластинчатых теплообменников доказывает необходимость внедрения современных программ в процесс проектирования изделий, что позволит расширить информативность и объемы численных экспериментов различных вариантов конструкции. · Вариант конструкции входного патрубка с увеличенным на 10мм диаметром позволил снизить потери напора на гидравлическое сопротивление на 5,1%, улучшить распределение охлаждаемого воздуха на 3%. · Представленная работа доказывает необходимость дальнейшего анализа влияния геометрии входного коллектора на теплогидравлические характеристики с целью оптимизации режимов работы теплообменника. Таблица 1