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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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管殼式換熱器動態特性數值仿真

點擊:1619 日期:[ 2014-04-26 21:35:50 ]
                        管殼式換熱器動態特性數值仿真                                 吳 峰         (西安石油大學石油工程學院油氣儲運工程系,陜西西安 710065)     摘要:應用有限差分法對順流及逆流管殼式換熱器動態特性進行了數值預測,計算模型考慮了殼側流動不均勻性、流體軸向擴散效應及固壁軸向導熱對動態特性的影響。采用隱式差分格式進行計算,研究了當進口流量及溫度同時發生擾動時換熱器溫度等參數的動態響應以及換熱器壁面比熱容和導熱系數對其動態響應的影響規律。結果表明,增大比熱容能夠增加溫度響應的上升時間,增大換熱器壁面的導熱系數能夠提高管側出口的平均溫度。     關鍵詞:管殼式換熱器;動態特性;數值仿真     中圖分類號: TQ 051.501; TK 124  文獻標志碼: A     文章編號: 1000-7466(2009)05-0021-05     在工業生產過程中,經常需要根據工藝生產的要求,應用換熱器對物料進行加熱或冷卻來維持一定的溫度。由于換熱系統運行中各種不穩定因素的存在,導致在換熱器的運行過程中,流量和溫度擾動經常發生[1~6],這對換熱器的穩定運行非常不利。為保證工藝過程的穩定運行,必須對換熱器進行有效的控制[7]。因此,對于換熱器動態特性的分析具有一定的工程意義。     文獻[8,9]認為,通過控制換熱器的進口流量可以實現對其運行狀態的精確控制。文獻[10]在忽略固壁軸向導熱及流體軸向擴散的情況下應用解析法研究了逆流式換熱器在進口階越流量擾動下的動態響應情況。文獻[11]應用解析方法在忽略流體軸向導熱的情況下對管殼式換熱器動態特性進行了分析,文獻[12]在忽略管壁軸向導熱的情況下應用解析解對管殼式換熱器的動態特性進行了理論分析,其求解方法非常復雜。文中應用有限差分法對管殼式換熱器在進口產生流量及溫度擾動情況下的溫度動態響應進行了數值仿真,以探討管殼式換熱器穩定運行的控制方法,仿真過程考慮了流體的軸向擴散效應及換熱器管壁的導熱因素。     1·模型及控制方程     所分析的管殼式換熱器的靜態模型為對距離的常微分方程組,而動態模型則為對時間和距離的偏微分方程組。為簡化數值計算,作如下假設:     (1)通道內流體為不可壓縮流體,通道內的流動與換熱視為一維問題,進、出口流體溫度均一。     (2)流體的所有熱物性均為常數,考慮壁面蓄熱作用。     (3)考慮殼側流體的縱向擴散以及管壁的軸向導熱。     (4)通道外壁與外界絕熱。     對于管殼式換熱器而言,其流動與換熱的示意圖見圖1。圖1中虛線箭頭表示管內逆流情況。換熱器殼側流體能量方程為:                               其中 W=ucpρAC,C=ρACLcp,Cw=ρwAcwLcpw式(1)~式(3)中,L為換熱器總長度,l為換熱器軸向任一點與其端面的距離;m;cp、cpw分別為流體及管壁比定壓熱容,J/(kg·K);τ為時間,s;A為對流換熱面積,Ac、Acw分別為流動通道橫截面積及換熱器管壁橫截面積,m2;t為溫度,℃;D為考慮殼側流體擴散效應參數,Kw為考慮管壁軸向導熱效應參數,W/(m·K)。h為管內流體的對流傳熱系數,W/(m2·K)。下標1表示殼側流體、下標2表示管側流體、下標w表示管壁。     2·數值方法     對式(1)~式(3)進行有限差分求解,采用隱式格式,其差分格式如下:                                 t2(0,τ)=t1,in     t1(0,τ)=t1,in(10)     對于逆流式換熱器,計算邊界條件為:     t1(1,τ)=t1,in     t2(L,τ)=t1,in(11)     式(10)~式(11)中,下標in表示進口。     3·計算結果及討論     給定殼側不同階躍程度的進口流量擾動,研究順、逆流管殼式換熱器管側出口溫度響應情況及響應趨于穩定時換熱器冷、熱流體沿流動方向分布的變化情況,其中t1為熱流體(殼側流體)溫度,t2為冷流體(管側流體)溫度。對于順、逆流換熱器,t1,in=60℃,t2,in=20℃,流量擾動前對流傳熱系數h1r=h2r=1 000 W/(m2·K),換熱器長度L=2·0 m。     3.1 順流換熱器     保持管側流體流量不變,在殼側不同進口階躍流量擾動下順流換熱器管側流體出口溫度t2,0的響應及擾動后達到新的穩定狀態時換熱器冷、熱流體溫度沿流動方向的分布情況見圖2。                  為進一步分析管側流體流量擾動對殼側的影響,保持殼側流體流量不變,使管側進口流量產生階躍擾動及正弦波的溫度擾動,溫度擾動為sin(3τ),保持溫度擾動量不變,改變流量的階躍擾動量,其殼側流體出口溫度t1,0的響應見圖3。                   由圖2可知,管側流體出口溫度在不同殼側進口流量擾動下的溫度響應呈近似對稱分布,同時冷熱流體溫度沿流動方向的分布在流量擾動下隨著流量的增加而增加。圖3表明,管側進口流量的階躍擾動的增加降低了殼側流體的出口響應溫度,對于溫度的正弦波擾動,換熱器出口溫度的響應表現為頻率保持不變,相位及幅值則有一定的變化。     3.2 逆流換熱器     與順流換熱器相同,保持管側流量不變,對殼側流體進口給定流量階躍擾動,逆流管殼式換熱器管側出口流體溫度t2,0的的響應情況見圖4。                   同理,保持殼側流體流量不變,使管側進口流量產生階躍擾動及正弦波的溫度擾動,其中溫度擾動為sin(3τ),保持溫度擾動量不變,改變流量的階躍擾動量,其殼側流體出口溫度t1,0的響應見圖5。     由圖4和圖5可知,在不同殼側進口流量擾動下,逆流管殼式換熱器管側流體出口溫度的溫度響應、管側進口流量的階躍擾動對殼側出口溫度產生的影響以及溫度的正弦波擾動對換熱器出口溫度的響應均與順流管殼式換熱器相似。                   3.3 管壁比熱容及導熱系數影響     換熱器的管壁在熱傳遞過程中具有蓄熱作用,其比熱容的大小對換熱器的動態特性有一定的影響。因此,為研究管壁不同比熱容取值對換熱器管側流體出口溫度t2,0的響應的影響規律,保持殼側流體擾動量ε=1·2,研究管壁不同比熱容取值對其動態特性的影響,結果見圖6。                  由圖6可知,在流量擾動下,管殼式換熱器管側的出口溫度幾乎不存在延遲時間。這是由于對不可壓縮流體而言,當管殼式換熱器通道內流體的流量發生變化時,管殼式換熱器在整個流程上的換熱狀況都有改變,因此,無論是順流還是逆流工況,在管殼式換熱器出口處的溫度響應不存在延遲。同樣,隨著壁面比熱容的增加,換熱器出口溫度響應的上升時間τa逐漸增大。     在殼側流體進口階躍流量擾動ε=1·2不變的情況下,壁面導熱系數λ的不同取值對順、逆流換熱器管側出口溫度t2,0的響應及溫升響應的影響規律見圖7。                   由圖7可知,對管殼式換熱器而言,在相同的殼側進口溫度擾動量下,順流換熱器管側出口溫度響應存在著一定的延遲現象,而逆流換熱器的延遲時間幾乎為0。增大換熱器壁面的導熱系數能夠提高管側出口的平均溫度,這主要是由于換熱器壁面導熱系數的增加能進一步強化換熱器兩側流體熱量傳遞的緣故。     4·結論     (1)管殼式換熱器管側流體出口溫度在不同殼側進口流量擾動下的響應呈近似對稱分布,冷、熱流體溫度沿流動方向的分布在流量擾動下隨著流量的增加而增加。     (2)管側進口流量階躍擾動的增加降低了殼側流體出口的響應溫度,對于溫度的正弦波擾動,換熱器出口溫度的響應表現為頻率保持不變,相位及幅值則有一定的變化。     (3)在流量擾動下,管殼式換熱器管側的出口溫度幾乎不存在延遲時間,隨著壁面比熱容的增加,換熱器出口溫度響應的上升時間τa逐漸增大。     (4)在相同的殼側進口溫度擾動量下,順流換熱器管側出口溫度響應存在著一定的延遲現象,而逆流換熱器的延遲時間幾乎為0,增大換熱器壁面的導熱系數能夠提高管側出口的平均溫度。     參考文獻:略
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