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变截面折流杆换热器的流动与传热分析点击：1971 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 |
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