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新型板壳式换热器壳程流动与换热的数值模拟点击：1970 日期：[ 2014-04-26 21:14:13 ] |
| 新型板壳式换热器壳程流动与换热的数值模拟 陈武滨，江楠 (华南理工大学化工机械与安全工程研究所，广东广州510640) 摘要:提出一种新型的板壳式换热器，建立2种不同板束截面形式的换热器模型，利用FLUENT软件对壳程流体的流动和换热进行数值模拟，从多个方面对板壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。模拟结果表明，由于换热板片特殊的蜂窝结构，靠近板片壁面的流体产生了明显的周期性波浪式流动，这种流动加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动，起到了壳程强化传热的效果。对于2种不同截面形式的换热器，圆形截面形式的换热器壳程空间利用率较高，流体流动充分，热交换效果更好，在同流量下，其壳程对流换热系数比方形截面形式的高35%—40%，压降高17%—19%，单位压降下的壳程对流换热系数高15%—19%。该数值模拟结果对板壳式换热器的研究具有一定的理论意义和工程实用价值。 关键词:板壳式换热器;蜂窝板;数值模拟 中图分类号:TQ 051．5文献标识码:A文章编号:1005-9954(2012)01-0030-05 板的制造工艺比圆管制造工艺简单，成本较低，在中、低压力范围的应用中，板已呈现替代管的趋势，尤其是在需要采用不锈钢等贵重材料的场合。板壳式换热器作为一种新型高效的换热设备，以板代替管作为换热元件，既具有板式换热器传热面积大、传热效率高、结构紧凑、质量轻的优点，同时又继承了管壳式换热器承高压及耐高温、密封性能好、安全可靠等优点［1］，在热交换设备领域的应用中有相当宽广的发展空间。 板壳式换热器的制造关键在于换热板的制造，传统的换热板是将冷压成形的成对板条的接触处严密地焊接在一起，构成一个包含多个流道的板管，由于板的制造工艺不相同，板的结构形式也呈现多样化，目前国内文献对板壳式换热器的研究比较有限［2-4］，大多仅局限在结构特点的介绍，对流体的流动和换热状态却没有进行详尽的表述。 本文利用FLUENT软件，以蜂窝板作为换热板束建立三维模型，对2种不同板束截面形式的板壳式换热器壳程流动和换热进行数值模拟。 1·换热器数值模拟模型 1．1物理模型 图1所示是一种新型的换热板，由于采用特殊的蜂窝结构，换热面积大且板内形成了复杂紧凑的流道，流体于板内流动时流速增加并不断碰撞蜂窝点，促进扰流作用的产生，增强了强化传热效果［5］。 换热器模型采用2种不同的板束截面形式，方形和圆形。几何参数见表1。图2(a)所示的板壳式换热器采用方形截面形式，由等宽度的换热板拼合而成，板束周围设置若干块弓形折流板;图2(b)所示的圆形截面形式采用不等宽度的换热板拼合而成，其换热面积可增加2．5%—3．5%，板束上下设置若干块半环形折流板。蜂窝板结构为蜂窝高度H=10 mm，蜂窝间距L=50 mm，焊点直径D=15 mm。 1．2数学模型 本文结合板壳式换热器壳程流体的流动和换热特点，对流经壳程的流体进行如下假设:①流体为不可压缩流体即牛顿流体;②忽略流体流动时的黏性耗散作用所产生的热效应;③忽略流体重力的影响，并且假定流体的物性不随温度变化。流体控制方程求解的主要变量的控制方程表示成如下通用形式［6］: div(ρUφ)=div(Γφgradφ)+Sφ(1) 式中:ρ为密度;流体的速度矢量U在3个坐标上的分量分别为u，v，w;φ为通用变量，可以代表u，v，w，T等求解变量，T为流体温度;Γφ为广义扩散系数;Sφ为广义源项。 1．3边界条件与计算模型 由于模型在几何结构、载荷及换热条件上存在对称性，建模时取相对称的半个实体，采用非结构性网格划分，考虑网格相关性的影响，取网格数量为200万左右。壳程流体为水，定义入口处为速度入口边界，给定入口速度、湍流值、水力直径和温度条件，入口温度为350 K;定义出口处为压力出口边界，给定静压和适当的回流条件;定义蜂窝板壁面为恒定壁温壁面边界，壁面温度为293 K;其他各面均定义为不可渗透，无滑移绝热边界条件。 应用控制容积法及非耦合稳态隐式格式求解控制方程组，采用标准k-ε湍流模型及壁面函数法计算传热和流动情况［6］。压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，对流项采用二阶迎风格式［7-8］，定义收敛条件除了能量计算残差绝对值小于1×10－6外，其余均为1×10－4。 2·数值模拟结果 2．1壳程流动分析 图3为2种截面形式换热器壳程轴向截面局部速度矢量图，以方形截面换热器为例，从图中可以清楚看出壳程流体在2个板片之间的流动情况。由于板片特殊的蜂窝结构，在蜂窝点处板壁形成蜂窝状凹槽，此时2块相邻板片之间相对形成一个大的流动空间。壳程流体流进时速度降低，流出时速度增大，使流速总是处于规律性的扰动状态，增大了热扩散率，推动了流体的混合。由于撞击壁面产生的小漩涡不断冲刷着边界层，减弱边界层的形成，起到了一定的强化传热作用。另外，板片的蜂窝点按照三角形排列分布，这样的结构更有利于加强对壳程流体的扰动作用。 图4为2种截面形式换热器壳程轴向截面流体局部质点迹线图，以方形截面换热器为例，从图中可以看出，壳程流体在沿轴线方向流动的同时不断与凹凸不平的蜂窝壁面相碰撞，在蜂窝壁面的扰流作用下流体的流动方向呈波浪状态上下波动，其流向和流速都在不断地变化，这种流动的出现提高壳程流体的湍动强度，从而有效地减薄壁面层流底层的厚度。 图5为壳程径向截面的速度矢量图，可以看出图5(b)的速度分布更加复杂，蜂窝壁面的扰流作用更加明显，形成更多局部小漩涡。在同流量下，环形截面形式的板壳式换热器比方形截面的流速更高。 从图6可以看出，由于圆形截面形式的换热器，其板束由不同宽度的板片拼合而成，在壳体里面的空间利用率较高，换热面积较大，因此壳程流体在图6(b)中的流动比图6(a)的流动更充分，流动死区更少，热交换效果更好。另外，2种形式的换热器其换热板束周围均设置了折流板，增加对壳程流体的扰流作用，防止壳程流体直接从空隙中流过而得不到热交换，从图6可以看出，板束中间流体受折流板作用影响较小，而板束周围的流体则受到不同程度的扰流作用。 图7为2种形式换热器的轴向截面温度云图，从图中可以看出，2种形式的换热器温度都是沿着轴线方向不断下降，而板束与壳体壁面之间存在较大的流动空间，此处流体的温度变化较慢，热交换效果比板间流体差。对于圆形截面形式的换热器，其折流板对壳程流体起到较好的扰流效果，每块折流板处温度梯度均有较明显的变化。 2．2传热与阻力性能分析 对2种板壳式换热器同流量下壳程对流换热系数和压降进行对比。由图8、图9可见，同流量下圆形截面形式的换热器壳程对流换热系数高于方形截面形式的，达到35%—40%，这是由于圆形截面形式的板束所产生的扰流效果明显，热交换效果更好，提高壳程对流换热系数;同流量下圆形截面形式的压降略高，比方形截面形式的高17%—19%，这是由于圆形截面的板束在壳体里面的空间利用率较高，流动死区更少，流体在壳程中的流动更充分，所受扰流作用更大，从而导致更大的压降损失。 2种截面形式的换热器由于壳程的特殊结构，壳程流体从板与板之间的间隙流过，在蜂窝壁面的扰流作用下，均得到较好的热交换效果且壳程压降损失较少，从图10可以看出，圆形截面形式的换热器单位压降下的壳程对流换热系数较高，比方形截面形式的高15%—19%。 但这2种截面形式的换热器也存在不足:对于方形截面形式的换热器，板束与壳程壁面之间存在较大的流动空隙，壳程流体直接从空隙流过而得不到热交换，大大降低了换热器的整体换热性能;对于圆形截面形式的换热器，虽然换热效果相对较好，但是其制造加工相对复杂，需要根据壳径的大小制作不等宽的板片，与管板焊接的难度加大。 3·结语 (1)通过对板壳式换热器2种不同截面形式的壳程流体湍流流动和换热进行三维数值模拟，揭示了壳程流体的流动机理，并对流体的流动和换热状态进行表述。 (2)由于蜂窝板结构的周期性，靠近板片壁面的流体产生了明显的周期性波浪式流动，加强了板片近壁面处流体的扰动，增大了热扩散率，推动了流体的混合，这种流动加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动，起到了壳程强化传热的效果。 (3)由模拟结果可以看出，圆形截面形式的换热器在壳体里面的空间利用率较高、换热面积较大、流动更充分、热交换效果更好;在同流量下，其壳程对流换热系数比方形截面形式的高35%—40%，压降高17%—19%，单位压降下的壳程对流换热系数高15%—19%。 参考文献: ［1］史秀丽，张宏峰．板壳式换热器发展现状及优越性［J］．化学工程师，2006，20(2):30-31． ［2］陈亚平，徐礼华，周强泰．一种新型板壳式换热器［J］．石油化工设备，2000，29(6):29-30． ［3］周志强．BR型板壳式换热器结构特点和应用分析［J］．化工设备设计，1999，36(5):27-28． ［4］赵建春，王志坤，张昕，等．大型焊接板壳式换热器在重整装置中的应用［J］．石油化工设备，2005，34(3):51-53． ［5］丁昌勇，尹侠．蜂窝夹套在薄膜蒸发器上的应用［J］．粮油加工与食品机械，2006(2):72-74． ［6］陶文铨．数值传热学［M］．西安:西安交通大学出版社，2001． ［7］王福军．计算流体动力学分析CFD软件原理与应用［M］．北京:清华大学出版社，2004． ［8］帕坦卡SV．传热与流体流动的数值模拟［M］．张政，译．北京:科学出版社，1984． |
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