哈雷钎焊板式换热器
专业生产:换热器;分水器;过水热;冷却器
新闻动态

变截面折流杆换热器的流动与传热分析

点击:1193 日期:[ 2014-04-26 21:14:02 ]
                    变截面折流杆换热器的流动与传热分析                        马雷 王英双 杨杰 刘志春 刘伟                (华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074)     摘要:本文在折流杆换热器的基础上,采用数值计算的方法,以水为流动介质,对不同折流杆间隔的折流杆式换热器进行流动与传热特性的分析。同时,本文设计了一种新型的变截面折流杆式换热器,对换热器进行优化,结果表明,变截面折流杆换热器比等截面折流杆换热器的综合性能最多高13%~14%.     关键词:换热器;折流杆;变截面;数值模拟;强化传热     中图分类号:文献标识码:A文章编号:0253一231X(2012)01-0113-04     0·引言     换热器作为一种能源利用与能源节约的有效设备,几乎在所有的工业领域中都有应用,尤其是广泛应用干化工、炼油、动力、原子能、航空等。目前在换热设备中,应用最多的是管壳式换热器,它的最大优点是:能承受高温高压,适应性强,处理量大,工作可靠;而且其制造相对简单,生产成本低,选材范围广,清洗方便。折流杆换热器用折流杆代替传统的折流板支撑管束,这使得制造和安装更加方便,重量和成本更低,并能有效地控制换热管束间流体的诱导振动,减小了壳程阻力,提高了传热效率,具有较强的抗结垢能力以及较长的使用寿命[1-4]。本文从折流杆间距着手,对折流杆换热器进行流动与传热特性的分析,并设计一种新型的变截面折流杆式换热器,对折流杆换热器进行优化。     1·数学物理模型     在正方形排列的折流杆换热器中,若忽略壳程壁面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,根据换热管在壳体内布置的对称性,取四根换热管所包围的流体流动空间为单元计算模型,结构如图1所示.                   为了简化计算,对计算单元流道内流体的工况做如下假设:l)流体的热物性参数如ρ, μ,Cp,入等均为定值;2)流动状态为稳态流动;3)流体为不可压缩流体,各向同性,且为连续介质;4)流体为牛顿流体;5)忽略重力的影响。     1.1控制方程     根据计算单元的物理模型,单相不可压缩流体稳态流动的控制方程为:                               1.2结构参数与边界条件     本文采用两根折流杆夹一根换热管的形式,比较不同折流杆间距的数值模拟结果。其折流杆的参数见表1所示,计算过程采用水作为工作流体。                               2·数值模拟与结果分析     图2为Re=15000时,计算管束单元中某一截面的速度场和温度场。由图可见,当壳侧雷诺数Re=15000时,从入口到出口,流体温度逐渐升高,且逐渐趋于均匀。流体流过折流杆时,由于扰流作用,在折流杆处速度变化较大,温度比较均匀,说明折流杆附近的流体换热效果较好。由图2可见,流体流过折流杆产生扰流作用,尤其在流道中心,扰动较为强烈,温度更趋均匀。                  图3显示了不同折流杆间距对Nu。的影响,由曲线易得,折流杆间距为80mm时,Nu。最大,即绕流效果最好,因为对于12m的换热管,在计算单元内,折流杆间距越小,折流杆数目就越多,就能造成更大的扰动,使Nu更大。由图4所示,折流杆间距为80mm时,阻力最大,而为120mm时阻力最小,原因正如上述,折流杆间距越小,折流杆的数目就越多,虽然可以造成更大的扰动,但是却是以增大阻力为代价的。     这里采用性能评价指标h/△P来评价不同间距折流杆换热器的换热与流动的综合性能。对h/△P的影响,由图5中曲线可以看出,相同折流杆杆型时,当折流杆间隔为120mm,综合效果最好[6]。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具有轴向扰流作用。由于折流杆与管外壁只是点接触,流体流经折流杆时,对换热管壁面的冲刷效果增强,且折流杆沿流动方的分布是间断的,折流杆在壳程主要起扰动流体的作用,使得管束间流体的温度更加均匀的作用,从而增强了换热,而它对管束壁面的扰动又只是局部的,减少了阻力,这与刘伟等提出管内核心流传热强化的机制类似[7,8]。                 3·变截面折流杆数值模拟及结果分析     3.1结构参数     这里仍采用两根折流杆夹一根换热管的形式,根据上述的模拟结果分析,这里采用折流杆间距L为120mm。计算过程仍采用水作为工作流体。折流杆采用变截面的形式,如图6所示,其中粗截面d=6mm,细截面do=3mm,在单元模型内,粗截面的厚度δ分别取2mm,3mm,4mm,其余尺寸与上述等截面折流杆相同。                 3.2数值模拟与结果分析     由图7可以看出,等截面折流杆换热器与变截面折流杆换热器的Nu。差别很小,最大差值小于10%,在Re较小时,两者的Nu。数基本相同。变截面折流杆的不同占值对Nu。几乎没有影响。对于阻力系数,由图8可知,变截面折流杆换热器远远小于等截面折流杆换热器,平均降低了30%左右。对变截面折流杆取不同δ值时,δ=4mm时,阻力系数最大,δ=2mm时阻力系数最小。                  关干变截面折流杆换热器的强化传热机理,可这样理解,折流杆换热器内对增强流体换热的主要来源是折流杆,而折流杆上起主要作用又是折流杆与换热管接触附近的部分,这部分折流杆使得流体对换热管的冲刷效果增强,从而增强了换热。其余折流杆的部分主要起到扰流的作用,虽然在一定程度上也能增强换热,但其也相应产生了相应的阻力,由图9可以看到,变截面折流杆的占值越小时,其综合性能越好。                  4·结论     l)随着Re。的增加,折流杆的扰流作用更加强烈,传热得到强化,因而换热系数和流动阻力均逐渐增加;此外,随着折流杆间距的增大,换热系数和流动阻力均有所下降,间距为120mm时综合效果最优。     2)在核心流传热强化原理的指导下,通过对纵流管束间扰流机制的分析,设计了一种高效低阻的变截面折流杆式换热器,与等截面折流杆换热器相比,换热差别很下,阻力降低了30%,综合性能最多提高13%~14%。     3)通过对折流杆进行变截面设计,不仅能够减少流阻,提高换热器的综合性能,还可以有效地节省材料,减轻换热器重量,降低换热器成本。     参考文献:略
上一篇:自然循环换热器壳侧传热及流动的数值模拟 下一篇:高压釜空气换热器结构

相关资讯

Copyright ©2008 哈雷换热设备有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技园西坞金水路 电话:0086-574-88928255 传真:0086-574-88916955
换热器 | 板式换热器 | 钎焊板式换热器 | 冷却器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式换热器 | 网站地图 | XML 浙ICP备09009252号 技术支持:众网千寻