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新型折流杆换热器的流动与传热数值模拟

点击:1131 日期:[ 2014-04-26 21:08:00 ]
                    新型折流杆换热器的流动与传热数值模拟                        王英双,刘志春,黄素逸,刘伟              (华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074)     摘要:依据核心流传热强化原理,设计了一种新型粗杆-细杆组合式折流杆换热器,建立了相应的物理和数学模型,并对其传热与流动特性进行了计算模拟,并将计算结果和相同杆径的折流杆换热器进行了比较。结果表明,该新型换热器壳程的对流换热系数与折流杆换热器相当,但流动阻力远远小于折流杆换热器,综合性能优于折流杆换热器,而且Re数越高,优势越明显。      关键词:折流杆;换热器;强化传热;减阻     中图分类号:TK 124文献标识码:A文章编号:1000–6613(2010)07–1205–04     管壳式换热器广泛用于化工、石油、能源、动力冶金等行业,约占换热器总量的70%[1]。折流部件在管壳式换热器中起着十分重要的作用,一方面对管束起支撑和固定作用,另一方面又对壳程流体起扰流作用。对于管壳式换热器,按壳程流体的流动方向可分为横向流、纵向流和螺旋流3种。对于不同的壳程流动形态,管壳式换热器的性能呈现较大差异。而壳程流体的换热系数对换热器总传热系数的影响很大,研究壳程的流动与换热机理,对于减少换热器能耗、降低传热温差、提高换热器性能具有重要意义[2]。     管壳式换热器的强化研究主要集中在强化管程和壳程两方面。管程方面主要着手于两方面:一是开发新型高效的换热管品种,通过改变换热管形状、表面性质等来获得粗糙的表面和扩展表面;二是通过管内添加插入物的方法以增加流体本身的绕流来改变流体在壁面处的流动方式和传热机理。壳程方面主要是改进壳程的支撑结构,使壳程流体的流动方向由横向流转变为纵向流或者螺旋流[3-6]。换热器壳程流体的流动方向和流动状态发生改变,进而强化换热。刘伟等[7-10]分析了换热强化和流动阻力之间的关系,提出管内核心流强化传热的原理,认为若能在受限空间的核心流区域添加特殊的插入物,且满足以下条件:①核心流的温度均匀;②边界流的扰动较小;③扰流面的面积较小(或扰流面非连续)。那么,就不会形成较大的流动阻力,并使边界流区域形成较大的温度梯度,从而实现传热强化。这种特征的流场和温度场使换热得到明显强化,而阻力变化不大,从而使换热设备的综合性能提高。基于管内核心流传热强化的思想,刘伟等[11]在对传统的折流杆换热器流动与传热机理分析的基础上,提出了一种新型纵流式换热器,并对其传热与流动进行数值模拟,结果表明,在同压降下,该换热器的性能要高于折流杆换热器。     关于折流杆换热器的强化传热机理,可解释为折流杆沿换热器壳程对流体的轴向扰流作用。由于折流杆与管外壁只是点接触,且折流杆沿流动方向具有分布性,加上各个管束单元之间的流通性,折流杆主要起扰动流体的作用,可使管束内流体的温度沿程趋于均匀,从而增强了换热,而它对管束壁面的扰动只是局部的,这与管内核心流传热强化的机制类似。基于此,可对折流杆的轴向分布进行结构优化,以减少换热器壳程的流动阻力。     1·新型折流杆换热器     根据核心流强化传热理论,提出一种新的换热器设计思想——支撑和扰流分离,设计了一种新型折流杆换热器,其中横向支撑的折流杆采用直径大的杆子,竖向排布的管子采用直径小的杆子,这样,粗杆起到支撑作用,细杆主要起扰流作用。图1为新型折流杆换热器管束结构示意图,图2分别表示直径不同的杆子构成的折流栅。                                     2·折流杆换热器计算模型[11]     对于正方形排列的折流杆换热器,若忽略壳壁对管束间流动与传热的影响,并假设相邻管束单元间的流体没有热量和质量交换,就可抽象出一个对称的管束计算单元,如图3所示。对于这一物理模型,可采用RNGk?ε湍流模型对折流杆换热器壳程的流场、温度场和压力场进行计算,并分析Nu数、摩擦阻力系数和压降与Re数的关系。                                     以上方程中,ρ为流体密度;μ为流体黏性系数;Pr为流体普朗克数;σT为流体湍流普朗克数;p、T分别为流体压力和温度;u、v、w分别为流体速度分量。     以上控制方程采用SIMPLEC求解耦合速度场和压力场,对流项采用QUICK格式离散,近壁面采用壁面函数法处理。计算时采用水作为工作流体,折流杆换热器管束单元的计算参数如表1所示。                     3·计算结果及分析     图4为流体流过折流杆的迹线。由图4可见,在前述假设条件下,折流杆对管束内的流体产生了明显的纵向扰流作用。且由于横杆和竖杆的直径不同,对流体的交替扰流作用更强。                     图5为相同Re数下,两种换热器的Nu数变化。图6为相同Re数下,两种换热器的阻力系数的变化。从图中可以看出,两种换热器的Nu数相差不大,但是组合杆换热器的阻力系数要远远小于相同杆径的换热器。     图7为组合杆换热器与相同杆径折流杆换热器相比所得到的PEC值。从图7中可以看出,在Re数比较低时,组合杆的综合性能略低于折流杆,但是随着Re数的增加,组合杆的综合性能逐渐高于折流杆换热器,且Re数越高,优势越明显。                                     4·结论     在核心流传热强化原理的指导下,通过对折流杆换热内的流动与传热分析,提出了一种支撑与扰流分离的思想,设计了一种新型的粗杆-细杆组合型纵流式换热器,对其传热与流动进行了数值模拟,并将计算结果与相同杆径的折流杆换热器进行了比较。结果表明,在相同的Re数下,两种换热器的Nu数相差不大,但是组合杆换热器的阻力系数要远远小于均匀杆径的换热器,因而前者综合性能优于后者。     采用组合杆换热器不但可以提高换热器的综合性能,还可以减轻换热器的质量,降低换热器的成本。     参考文献:略
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