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螺旋板式换热器数值模拟计算的研究点击：1856 日期：[ 2014-04-26 21:13:49 ] |
| 螺旋板式换热器数值模拟计算的研究 左丹 （盘锦职业技术学院，辽宁盘锦124010） 摘要：为对螺旋板式换热器进行模拟计算，使用等角度间隔的方式将换热器中的流动通道及传热面分为多个流动单元和面单元，分析及建立了流动单元与传热面单元的对应关系，应用传热学原理建立了螺旋板式换热器的数学模型。应用Visual Bisic 6.0进行程序设计，自动生成方程组，并使用高斯消去法进行求解。模拟计算得到了换热器内的温度分布、总传热系数及总流动阻力。利用这一模型，本文对实际的螺旋板换热器进行了模拟计算，数学模型求解所得的结果与实验数据吻合较好。应用此数学模型还研究了圈数及板间距等对换热器参数的影响。 关键词：螺旋板式换热器；数值模型；模拟 中图分类号：TQ 015文献标识码：A文章编号：1004-0935（2011）06-0634-03 螺旋板式换热器是一种由螺旋形传热板片构成的换热器。它具有传热强度高；流体流动阻力小；能有效利用低温热源，精密控制温度；不易污塞，结构可靠,制造简单，材料利用率高等优点[1]。 对于螺旋板式换热器，通过几何分析和传热分析可以建立数学方程组，当给定冷，热流体的输入数据及换热器基本参数时，在计算机上通过求解数学方程组，就可以得到流体在换热器中的温度分布，传热系数和流动阻力等信息。以供设计或生产分析参考使用。使用不同的数据在计算机上进行求解，能够得到该换热器更全面的性能，这比用实际设备及流动介质进行实验要方便和经济得多。 1·数学模型的建立 1.1定义流体流动单元 在本论文中，将两种流体定义为流体A和流体B。可通过给定转角步长△θ把流体的流动通道分为多个流动单元。以转角△θ=π/4为例，则每圈通道可分为m=8个流动单元。由于第1圈之前的流体流动比较特殊，将流动到中点前的流体再分为m/2个流动单元，与另一流体的流动单元相对应。按上面转角的设置对流动单元进行编号，则编号从－m/2+1开始，定义编号为i的单元格开始角度为i△θ，结束转角为（i+1）△θ，流体单元的编号为CAi和CBi（C表示单元格）。当一种流体流动的总圈数为n时，此流体的总流动单元数nc为： 1.2定义传热面单元 流动单元通过传热面进行换热，使用相同的△θ将传热面分为面单元。中心平板部分ab定义为转角-π～π的传热面，其他传热面为螺旋板。螺旋板部分壁面的半径r随转角θ而变化，可用下式计算。 1.3流动单元与传热面单元的关系 按上面的定义，很容易确定出流动单元与传热面之间的关系。即在中心平面两侧，A流体的CAi与CB(-i-1)块通过FAi面单元相邻（0 ≤i≤m/2）。 对于中心区域的其它块，CAi的外侧面为FAi(m/2≤i≤m)。在螺旋流体部分，CAi在内侧通过FB（i-m/2）面与CB（i-m/2）块相邻，在外侧通过FAi面与CB（i+m/2）块相邻(i≥m)。 2·程序的实现 2.1流动单元及传热面单元在程序中的表示方式在Visual Basic 6.0程序中，使用结构数组记录了流动单元及传热面单元的信息[2-5]。 对于每个流动单元记录了如下的信息： 单元编号，第几圈，流体类型，流动截面积，单元体积，当量直径，温度，流速，密度，粘度，导热系数，对流传热系数等。同时记录了与之进行换热的单元格编号。 对于每个传热面，记录了如下的信息：面编号，面类型，传热面积，导热系数，半径等。同时记录了两侧单元格的编号。 这样，通过建立结构数组，可记录所有流动单元及所有传热面单元的信息，而且记录了面与块之间的关系，便于方程组的生成。 2.2计算总传热系数K[6] 冷、热流体间的热量传递可用以下传热方程式表达： Q=KA△Tm（4） 在本模型中，K可以根据两侧的对流传热系数、污垢热阻及壁面的导热速率求得，A即两流动单元之间的传热面单元，△T即两单元格的温度差。对每一个流动单元，均可通过列出与其它流动单元之间的传热方程进行热量衡算。在稳态传热条件下，每一流动单元的。 2.3传热模拟计算过程 模拟程序可以进行操作型模拟计算，计算过程如下： （1）根据给定的结构参数，计算换热器的总传热面积∑An。根据流体流量设置各块的质量流量。 （2）由给定冷热物流入口条件假设一种流体的出口温度，计算另一流体的出口温度。然后根据冷热物流的进、出口温度，按通道长度，按线性插值的方式设置每个流体单元的温度，即流动通道中的温度分布。 （3）通过建立各流动单元的传热方程，得到总方程组，通过求解方程组得到通道内流体的温度分布。 （4）通过比较得到的出口温度与计算得到的出口温度，进行迭代计算，得到流道内实际的温度分布。 （5）根据温度分布计算流体的物性参数，重新进行2-4步，直到误差达到指定精度为止。 2.4计算流体流经通道的阻力损失 弯曲的螺旋通道以及传热板上的定距柱都增加了它的阻力，通过在直管基础上的修正来计算因阻力而造成的流体压力损失。 首先将每一个单元格流动阻力分别计算出来，进一步求得总阻力。 3·计算实例 3.1计算条件[3] 选型号为16T120－1.2/1400－10的螺旋板换热器为计算对象，其原始结构参数为： 通道宽度s=10 mm，壁面厚度δ=4 mm，通道高度D=1.17 m，初始半径Ri*=0.145 m，通道圈数N=40，通道间的定距柱中心距为100 mm，菱形排列。流动介质为水，热水由换热器中心园鼓进入，外侧流出，流量为10 kg/s，入口温度Th1=70℃；冷水由外侧进入，从中心圆鼓流出，入口温度Tc1=15℃，冷水流量为10 kg/s。两流体逆流流动。 有实验数据整理得出该换热器的表面传热系数关联式为： 3.2计算结果与讨论 3.2.1换热器内温度分布 计算得到的换热器内温度分布如图1所示，其中i为流动单元编号。 以通道间距s为变量，从0.01 m到0.1 m进行多次模拟计算，得到的总传热系数与总阻力显示于图2。由图中可见，随着通道间距的增大，总传热系数逐渐减小，总流动阻力也随之减小。 4·结论 通过将流体及传热面分为单元，建立了螺旋板式换热器的微分模型。使用程序建立了流体单元及传热面单元的数据结构并记录了两者之间的关系，通过建立传热方程组并求解，得到了换热器内的温度分布及总阻力，并研究了结构参数对传热系数等的影响。此模拟计算可以用于换热器的设计及制造。 参考文献： [1]钱颂文．换热器手册[M].北京：化学工业出版社，2002． [2]周爱月．化工数学[M].北京：化学工业出版社，2001． [3]姚平经.过程系统分析与综合[M].大连：大连理工大学出版社，2004． [4]刘炳文．Visual Basic程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2002． [5]McConnell，S．代码大全[M].北京：北京电子工业出版社，2006． [6]夏清，陈常青．化工原理[M].天津：天津大学出版社，2007． |
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