螺旋板换热器数值模拟模型的建立及分析

点击：2000 日期：[ 2014-04-26 21:14:38 ]

螺旋板换热器数值模拟模型的建立及分析左丹（盘锦职业技术学院，辽宁盘锦124010）摘要：为了对螺旋板式换热器进行数值模拟,建立了换热器的数学模型。使用等角度间隔将换热器中的流体分为多个流动单元，将换热面分为多个传热面单元，建立了流动单元与传热面单元之间的对应关系。应用传热学原理建立了螺旋板式换热器的数学模型。利用这一模型，对实际型号的螺旋板换热器进行了模拟计算，得到了换热器内的温度分布、总传热系数及总流动阻力。模拟计算所得的流体温度分布及总传热系数等数据与实验数据吻合较好。关键词：螺旋板式换热器；数学模型；模拟中图分类号：TQ052文献标识码：B 文章编号：1002-1124（2011）06-0024-03 螺旋板式换热器问世于上世纪30年代初，因其具有传热效率高、结构紧凑、不易结垢堵塞、可利用低温热源、成本低以及耐高温差和热损失非常小等优点而受重视。许多国家相继开发了大量不同结构和采用不同材质的新产品，国外已大量应用。国内虽早有生产，但推广应用还不是很广泛，而且用于计算的经验公式误差较大。随着计算机技术的迅猛发展以及市场竞争的日益激烈，使用计算机对螺旋板换热器进行模拟计算对于设计和生产单位具有十分重要的实用价值。为进行准确的模拟计算，需要建立螺旋板式换热器的数学模型。本论文通过微分方法，将换热器分为多个流动单元及传热面单元，根据传热学及流体流动原理建立每个单元的传热方程，通过解方程组及迭代计算，可计算得到冷、热流体沿通道的温度分布，进而确定该换热器有关的传热性能及流体流动性能数据，以供设计及选型使用。 1·数学模型的建立 1.1几何分析 1.1.1流道圈数的定义螺旋板式换热器中有两种流体（下面称为流体A和流体B）。螺旋板换热器通道的圈数是定义如下：以A流体为例，点a相当于起点，设置转角θ=-π，在点O转角为θ=0，点b转角θ=π，转角按顺时针方向增加，O-b-A1为第一圈，点A1为第一圈的终点，θ=2π，第二圈的起点为点A1，转过2π弧度后达到点A2,第三圈的起点为点A2，转过2π弧度后达到点A3,余类推。各点的定义见图1。 1.1.2流体流动单元定义为把螺旋通道分为多个流体流动微元，可确定转角步长△θ。以转角△θ=π/4为例，则每圈通道分为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单元进行编号，则单元编号从－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，两种流体分别编号为CAi和CBi。则当一种流体的总圈数为n时，此流体的总流动单元数nc为: 1.1.3传热面单元的定义流动单元通过传热面进行换热，使用相同的△θ将传热面分为传热面单元。螺旋板换热器的板面很薄，一般为3~4mm，且直径较大，所以采用壁的中心面为基准来计算板面的长度及传热面积，壁面两侧的传热面积可认为相等。 ab为平板对应-π～π的传热面，其他传热面为螺旋板。螺旋板壁面的半径r是随转角θ而变化的，可用下式计算。 1.1.4螺旋板换热器传热面积因其半径随转角θ变化，各传热面单元的传热面积也随之改变，对于中心的平板部分，各单元面的面积均设为： 1.2传热分析假定A通道内通过冷流体，B通道内通过热流体，两流体逆流流动。由于冷热流体通过螺旋壁面进行换热，通道内的流体温度会随转角θ的变化而改变。不同流体相邻两流动单元之间的传热系数可使用下式计算：这里，对某一具体的螺旋板换热器，通过实验整理出的关联式为[2]：式中Pr：数指数n，当流体被加热时n=0.4，被冷却时n=0.3。以第13块流动单元为例进行传热分析，假设每一个流动单元内的温度相同，流体B通过两个面与A进行换热（如图3）。上面列出了螺旋板换热器中每一通道的传热方程，这些方程式联立起来就描述了整个换热器的方程组，求解此方程组可得出流体沿通道的温度分布，继而计算换热器的总传热系数。 1.3流体流动阻力通过实验数据的处理，可得到流体通过螺旋板换热器通道的压力降计算式，流动介质为水，流速u=0.2～3.0m·s-1时，每米长通道中的压力降为[2]：对i通道而言，进、出口的局部阻力系数之和可取为ζ=4，则进出口局部阻力产生的压力降为： 2·实例分析选型号为16T120-1.2/1400-10的螺旋板换热器为计算对象，其结构参数为：通道宽度s=10mm，壁面厚度δ=4mm，通道高度D=1.17m，初始半径R*i=0.145m，通道圈数N=40，通道间的定距柱中心距为100mm，菱形排列。流动介质为水，热水由换热器中心进入，外侧流出，流速uh=2.0m·s-1，入口温度Th1=70℃；冷水由外侧进入，从中心流出，入口温度Tc1=15℃，冷水流速uc=2.0 m·s-1。根据上述数值模拟模型的方法，应用VB程序进行模拟计算。得到总传热系数K=1946.2730W·（m2℃）-1,总压降△P=51013.7233Pa，与手册数据基本一致。说明本文的建立的数学模型能够比较准确地对螺旋板式换热器进行计算。 3·结论使用微分方法，基于传热方程式及阻力计算式，建立了螺旋板式换热器的数学模型。模拟计算结果与实际实验数据符合较好，说明使用此方法对螺旋板换热器进行模拟可以达到较好的结果。此模型可用于螺旋板式换热器的设计、生产及选型。参考文献［1］周爱月.化工数学［M］.北京：化学工业出版社，2001.7 ［2］夏清，陈常青.化工原理（上）［M］.天津：天津大学出版社，2007. ［3］姚平经,郑轩荣.换热器系统的模拟优化与综合［M］.北京：化学工业出版社，1992.32-40. ［4］钱颂文.换热器手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.401-440. ［5］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.

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