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折流板換熱器性能影響因素數值模擬研究

點擊:1476 日期:[ 2014-04-26 21:08:12 ]
                          折流板換熱器性能影響因素數值模擬研究                                劉敏珊,楊 帆,董其伍,歐陽克                         (鄭州大學熱能工程研究中心,河南鄭州450002)     摘要:針對不同結構參數的弓形折流板換熱器殼程進行數值模擬,計算表明折流板換熱器殼程的壓 降和管表面換熱系數隨著折流板數目的增加而增加,隨著折流板缺口高度的增加而減小;而其綜合性能 隨著折流板數目的增加而減小,隨著折流板缺口高度的增加而增加;第一塊折流板與管板的距離對壓降的影響較小,但對表面換熱系數影響相對較大.     關鍵詞:管殼式換熱器;綜合性能;數值模擬     中圖分類號:TP391 文獻標識碼: A     0 引言     管殼式換熱器由于結構可靠、技術成熟、適用 面廣,是應用于化工,石油,制冷等行業的一種通 用設備.管殼式換熱器的研究方法一般有實驗研 究、理論分析研究與數值模擬研究3種,隨著計算 機技術的發展,數值模擬已成為主要的研究方法. 最早對殼管式換熱器進行數值模擬研究的是英國 學者Patankar和Spalding,他們在1974年提出分 布阻力、體積多孔度的概念,實現對殼管式換熱器 殼程流場的數值模擬.多孔介質模型的主要缺點 是分布阻力和分布熱源的模型和系數要依靠經驗 來確定,其精度難以保證.建立殼管式換熱器實體 模型進行模擬計算,能得到比較詳細可靠的殼側 流場與溫度場.     管殼換熱器的折流板數目、位置、缺口高度、 換熱管的排列方式等影響換熱器的殼程管表面換 熱系數和殼程壓降.現有文獻大都只研究了某一 個方面[1-2],筆者旨在用大型CFD軟件FLUENT, 采用數值模擬方法分析和總結折流板間距、弓形 折流板缺口高度、進口段折流板與管板的距離等 管殼式換熱器的結構形式對換熱器綜合性能的影 響.評價不同結構下傳熱和流動性能的優劣,采用 現有文獻常用的表面換熱系數與壓降之比h/Δp, 得到不同結構下h/Δp的變化規律.     1 數值模擬及結果分析     1. 1 流體動力學控制方程     流體流動受物理守恒定律的支配,包括[3-4]:     質量守恒方程:                        1. 2 模型驗證     筆者建立的換熱器數學模型采用與實物模型 相一致的幾何參數:換熱器總長1 940 mm,筒體 內徑151 mm,折流板直徑148 mm,換熱管為19 ×2 mm的管子,正方形排列.根據換熱器尺寸用 GAMBIT建立模型,由于換熱器結構的對稱性,可 以采用對稱性邊界條件,建立整體模型的一半,進 行網格劃分.劃分網格時根據折流板的位置將模 型分割成多個塊,分塊劃分網格.然后導入FLU- ENT設置與實驗相一致的邊界條件:換熱器殼側 流體介質采用空氣,管內的流體為飽和水蒸氣,飽 和水蒸氣不斷由鍋爐產生,認為管內溫度恒定,因 此在模擬時可設置管壁溫度為恒溫.     數值模擬時選用標準κ-ε湍流模型,壁面采用無滑移邊界條件[5],近壁面處理采用標準壁面函數法。采用此壁面函數時,壁面處網格不需要加密,只需要把近壁面的第一個內節點布置在對數分布率成立的區域內,即配置到旺盛湍流區 域.當與壁面相鄰的控制體積的節點滿足y*≥ 11.225,30<y+<300則流動處于對數率層;網格滿足上述要求才能取得較為合理的模擬結果[6].     控制方程采用有限體積法離散,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,壓力插補格式選擇Standard格式,其他均采用二階迎風格式.能量方程收斂精度在10-8以下,其他方程收斂精度在10-3以下,數值模擬結果與實驗結果相比較如表1所示.                     實驗中有污垢等影響,模擬時忽略了這些因素,因此進出口溫差和壓降都相對實驗值小.由表1可以看出模擬值與實驗值的誤差在工程誤差允許范圍之內,說明了模型建立和數值計算的正確性.以下采用相同的模擬方法進行數值模擬,讀取網格無關解作為本實驗數字依據.     1. 3 不同結構的數值模擬及分析     1. 3. 1 不同折流板間距的影響     進行換熱器設計時[7],推薦折流板間距一般 不小于殼體內徑的1/5,且不小于50 mm,跨度過 大也會因流體誘導振動引起換熱管不穩定以及流 通截面增大造成相同流量下換熱系數降低.采用 實驗模型整體結構參數,間距與殼體內徑之比為 λ,改變折流板間距,設定缺口高度與殼體內徑百 分比約為25%,分別在流量為80, 120, 160 m2/h 下,按表2所列的折流板間距參數,建模進行數值 模擬.     模擬結果如圖1、2所示,從圖中可以看出隨著 折流板數目的減少,殼程的壓降逐漸減小.管表面 換熱系數h也逐漸減小.隨著折流板數目的增多, 殼側的‘Z’形流動更加接近理想橫流,并且相鄰兩 塊折流板之間通道面積減小,使流體橫掠管束的速 度增大,換熱系數提高.圖3表明相同的流量,隨著 折流板間距的增加,其綜合性能逐漸增加.                      1. 3. 2 不同缺口高度的影響     進行管殼式換熱器設計時,缺口高度宜取 0. 2~0. 45倍的殼體內徑[7],管殼式換熱器整體 模型仍然采用上述參數,折流板間距定為97 mm.     只改變折流板缺口高度,流量分別為100, 120, 140 m3/h,缺口高度與殼筒直徑Di之比的百 分數如表3.采用與前面相一致的建模和模擬方 法分別對上述結構分別進行數值模擬,得到殼程 壓降和殼側管表面換熱系數隨流量的變化趨勢如 圖4、5所示.                       從圖4中可以看出,同一流量下隨著折流板 缺口高度的增加,壓降減少,趨勢越來越緩慢;換 熱器殼側管表面換熱系數h隨著缺口高度的增加 而降低,這也是因為隨著折流板缺口高度增加時, 殼側流體流動偏離理想橫流流動的程度就越大.                       比較在相同折流板間距下,不同的折流板缺口 高度下綜合性能的變化趨勢如圖6所示,可以看出綜合性能隨著缺口高度的增加而增加,趨勢越來 越緩.                       1.3.3 不同進口段長度的影響     管殼式換熱器因為其結構特點,殼程的流動可 以分為進口段、中間段和出口段.中間段的流體從 進口翻過第二塊折流板后到出口前一塊折流板之 間,流體流動和傳熱可視為周期性充分發展狀態. 考察進口段對中間周期段的影響,在折流板間距為 97mm,缺口高度與殼筒內徑比約為25%的結構 下,僅改變第一塊折流板與管板的距離進行建模和 數值模擬,其結構參數如表4所示,通過數值模擬, 結果如圖7、8所示.                                         進出口接管與管板的位置不變,換熱器總長度 不變,則換熱管的有效換熱長度沒有變,改變第一 塊折流板與管板的距離,即改變折流板與進出口接 管的距離.圖7、8表明,不同的進口段長度,換熱器 殼程壓降基本保持不變,改變第一塊折流板與管板 之間的間距,只是改變了端部區錯流管束壓降,根 據貝爾-臺華設計公式,也說明改變間距對壓降影 響不大.增加折流板與管板的距離,表面換熱系數 呈下降趨勢,是由于進口段溫差大,越早進入橫向 流,表面換熱系數就越大.顯然其綜合性能隨著距離的增加是下降的.     2 結論     通過對弓形折流板管殼式換熱器不同結構參 數進行數值模擬,表明折流板換熱器殼程的壓降和 殼程管表面換熱系數隨著折流板數目的增加而增 加,隨著折流板缺口高度的增加而減小,而其綜合 性能隨著折流板數目的增加而減小,隨著折流板缺口高度的增加而增加;第一塊折流板與管板的距離對壓降的影響較小,但對表面換熱系數影響相對較大.比較不同結構下的綜合性能,對弓形折流板換 熱器的結構優化設計有一定的指導意義. 參考文獻: [1] 黃文江,張劍飛,陶文銓.弓形折流板換熱器中折流 板對換熱器性能的影響[J].工程熱物理學報, 2007, 28(6):1022-1024. [2] 王淳,馬貴陽,李高萍.折流板位置對換熱器性能的 影響[J].壓力容器,2006, (5):65-68. [3] 陶文銓.數值傳熱學[M].第2版.西安:西安交通 大學出版社,2001:488-490. [4] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學 出版社,2004. [5] 解衡,高祖瑛.管殼式換熱器流場三維數值模擬[J]. 核科學與工程,2002, (3):240-243. [6] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實 例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2004. [7] GB 151-1999管殼式換熱器[S].北京:中國標準出 版社,2000. 
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