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蛇管式換熱器傳熱性能及其數值模擬

點擊:1840 日期:[ 2014-04-26 21:53:45 ]
                       蛇管式換熱器傳熱性能及其數值模擬                            趙 壯 李文昌 王小芳                               (華東理工大學)     摘 要:利用Fluent對光滑蛇管換熱器進行了模擬,將得出的結果與經典理論比較,發現數值模擬方法具有相當的可靠度,并在相同外部條件下對4種不同結構的波紋式蛇管進行模擬,得出湍流狀態下管內流體的溫度場和速度場,從微觀上說明了波紋管強化傳熱機理。分析了波紋高度對波紋式蛇管傳熱效率的影響。     關鍵詞:蛇管換熱器 波紋高度比 數值模擬     中圖分類號:TQ051·5   文獻標識碼:A   文章編號:0254-6094(2010)04-0461-04     蛇管式換熱器是以蛇形管作為傳熱元件的換熱器,它結構簡單,制造、安裝、清洗和維修方便,價格低廉,在工業生產中得到廣泛的應用[1]。但是,它的缺點也是很明顯的,即傳熱效率低,造成浪費,這顯然不符合高效傳熱系統的要求。如何對蛇管傳熱進行有效強化一直是傳熱領域最活躍最有生命力的課題,在眾多強化傳熱方式中,螺旋槽管和波紋管被廣泛認為具有比較優越的強化傳熱性能[2, 3]。筆者在此考慮采用波紋型強化換熱管代替蛇管式換熱器中直管的方式來優化蛇管式換熱器的性能。     隨著計算流體動力學(CFD)和計算機技術的飛速發展,采用數值模擬方法對蛇管換熱器的流場進行研究,能夠得到用實驗方法無法得到的流場的詳細信息,成為有效的研究方法[4]。筆者采用商用CFD軟件Fluent分別對普通蛇管式換熱器和波紋式蛇管換熱器在湍流狀態下的流場進行了模擬,依據模擬結果對它們的性能進行了分析比較。     1 普通蛇管及波紋式蛇管結構     蛇管式換熱器中的換熱管是由金屬或非金屬管子按需要彎曲成長的蛇形管,本文模擬所使用的蛇管結構如圖1所示,是將一根內徑為25mm的銅質長直管彎成4段,其彎曲處曲率半徑為40mm。                             波紋管結構如圖2所示,它是將長直銅管外表面沿徑向處理成大小圓弧相切,內外形如波紋狀的薄壁管子。                             對蛇管進行波紋處理后成波紋式蛇管,其結構如圖3所示。                             2 數值模擬     2.1 普通蛇管的數值模擬     為了驗證本文模型和計算方法的可行性,首先按照文獻[4]提供的方法對光滑蛇管管內湍流流動和換熱情況進行數值模擬。采用如圖1所示內徑D=25mm,單段長度L=500mm,彎管部分曲率半徑為40mm的光滑蛇管,對不同流速工況下,進行恒壁溫加熱的模擬實驗,通過后處理報告得到不同流速下的壁面平均努塞爾特數Nu。模擬采用的工質為溫度Tf=293K的水,其物性參數為ρ= 998. 2kg/m3,Cp= 4 183J/(kg·K),μ=1. 006×10-3N·s/m2,λ=0. 6W /(m·K),Pr=7. 02。管壁材料為銅,導熱系數λ=387. 6W /(m·K),管壁溫度Tw=353K。設立的邊界條件為入口速度流(Velocity-inlet)以及出口流(Out-flow)。     Nu的理論計算值采用的是迪圖斯-波爾特(Dittus-Boelter)公式:                    數值模擬得到的Nu相應的理論計算值見表1。                    由表1可以看出,Nu模擬值與理論值的偏差較小,在5%以內。模擬結果滿足工程要求的精度,因此該模擬采用的數學模型和計算方法是可行的,可用對換熱效果進行驗證。     2.2 波紋式蛇管計算模型     為了驗證波紋式蛇管的換熱效果,將之與相同條件(尺寸、入口、邊界條件)下的光滑蛇管進行比較,模擬采用4種不同D2/D1的波紋管,分別記為2#、3#、4#、5#波紋管。其中波紋管直線段直徑D1=25mm,波峰直徑D2分別為35、40、45、60mm。波紋管直線段長度L1=12mm,弧形段長度L2=20mm。L1/L2=0. 6,文獻研究表明,波紋間距L1/L2的變化對波紋通道內傳熱的影響可以忽略,而波紋高度對傳熱性能的影響相當顯著。因此,有必要對不同波紋高度的波紋管進行模擬研究。     光滑蛇管記為1#管,其內徑D=25mm,單段直管長度L=500mm,彎管部分曲率半徑為40mm。     2.3 數值計算方法     首先使用fluent前處理軟件gambit建立幾何模型,并用T-grid方法劃分六面體網格,邊界條件定義為流體速度入口和自由流出口,在常物性和宏觀能量守恒的假設條件下,管內流體的流動和熱量傳遞滿足連續性方程、動量方程以及能量方程。湍流模型采用標準k-ε模型,用SIMPLEC算法處理速度和壓力的耦合問題。管壁設置為恒壁溫加熱。     入口速度大小分別取u=0. 09、0. 12、0. 16、0. 24、0. 32、0. 40m/s。入口處水流溫度為293K,壁面溫度恒定為353K。     3 波紋式蛇管數值模擬結果與數據分析     圖4為計算機模擬出Re與Nu的關系曲線。                     取入口速度為u=0. 12 m/s、Re=3 000時的5根管子出口溫度進行模擬分析,分析結果如圖5~9所示。                                               由模擬結果可以看出,波紋式蛇管的換熱效率較光滑蛇管有顯著的提高,而且隨著波紋高度的增加,換熱效果愈加明顯。換熱效率分別為光管的1. 14、1. 24、1. 31、1. 30倍。但是當波紋高度比D2/D1高于1. 8時,如4#管,出口處管中心流體的溫度和波紋高度比為1. 8時的3#管相差不多,這說明雖然增加波紋高度能增大換熱面積,提高換熱效率,但是波紋高度應該控制在一個合理的范圍內,如果超出這個范圍,那么換熱效率提高將不那么明顯,反而增加了流體的阻力,這與高志偉[5]等人通過實驗方法得出的結論也有一定契合,說明了數值模擬方法可以對實驗有一定驗證作用,并可以在某些復雜情況下代替部分實驗,減少實驗次數。     下面通過選取光滑管和波紋管的截面速度(圖10、11)來分析得出以上結論的原因。由圖10、11可看出,光管截面流道速度梯度較小,速度分布較均勻,光管中心處速度最大,由于受到壁面剪切應力的作用,近壁處的速度較小,并且越靠近壁面速度越小,直到壁面的速度為0,這與參考文獻[6]的結論是一致的。而波紋管由于特殊的波峰與波谷設計,使管內流動分為等直徑流速型和弧形流速型,流體沿流動方向在波峰處速度降低、靜壓增大;波谷處速度增加、靜壓減小。這樣流體是在反復改變速度及壓力梯度下進行的,產生的漩渦沖刷著邊界層,極大地破壞了邊界層的形成。這種周期性的截面變化增加了靠近管壁附近的湍流強度和湍流給熱能力,使層流和過度流達到湍流傳熱,從而提高了傳熱效率。其管外相應形成的波紋表面不但擴大了傳熱面積,也增加了擾動,使傳熱效果顯著提高。但是當波峰直徑太大,如4#管,會造成波峰區域弧形段內流體流速過小,導致主流體無法穿過漩渦與壁面進行熱量交換,波紋不能對流體進行有效擾動,影響了強化傳熱的作用。                           4 結論     4.1 筆者對光滑管管內湍流流動和換熱進行了數值模擬,模擬結果與經典結論的偏差很小,驗證了所用數學模型和計算方法的可行性。     4.2 波紋管由于特殊的波峰與波谷設計,使管內流體是在反復改變速度及壓力梯度下進行的,極大地破壞了邊界層的形成。增加了靠近管壁附近的湍流強度和湍流給熱能力,使層流和過度流達到湍流傳熱,從而提高了傳熱效率。     4.3 波紋高度比D2/D1不宜太高,否則波紋無法對流體進行有效的擾動,模擬結果表明D2/D1應保持在1. 8以下。 參考文獻 1·陶文銓.數值傳熱學(第2版).西安:西安交通大學出版社, 2006. 70~80 2·崔海亭,彭培英.強化傳熱新技術及其應用.北京:化學工業出版社, 2005. 26~27 3·ZimparovV D. Enhancement ofHeatTransferby a Com-bination of Three-start  Spirally Corrugated Tubes with aTwisted Tape Insert. Int J Heat Mass Transfer,  2001(44): 51~54 4·張曉露.螺旋槽管傳熱及流阻性能的數值模擬研究:[碩士論文].上海:華東理工大學, 2006 5·高志偉.波紋管強化傳熱機理及應用.東北電力技術,2000(12): 47~48 6·侯琳潔.波紋管強化傳熱的數值模擬研究: [碩士論文].西安:西安科技大學, 2007
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