Влияние геометрии входного коллектора пластинчатого теплообменника на гидравлическую неравномерность течения теплоносителя

Аннотация

В статье рассмотрен анализ влияния различной геометрии входного по горячему теплоносителю патрубка пластинчатого воздухо-воздушного теплообменника на неравномерность распределения потока по каналам матрицы. Сравниваются геометрии существующей конструкции и наиболее перспективные конструкционные решения.

Полный текст

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