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铝泡沫填充在内管的套管换热器内的流动和传热特性研究点击：2154 日期：[ 2014-04-26 21:35:32 ] |
| 铝泡沫填充在内管的套管换热器内的流动和传热特性研究 付全荣,段滋华,张铱鈖,李 煜 (太原理工大学化学化工学院,山西太原 030024) 摘 要:对空气流经铝泡沫填充方形套管换热器内管的流动和传热进行了试验研究,通过数值模拟对其内部的压力场、速度场和温度场进行了描述,并和传统的套管式换热器进行了比较。结果表明:试验结果与数值模拟结果符合较好。热流量和压降都随孔密度或者流速的增大而增大。填充铝泡沫后强化传热明显,虽然压降也大于空管,但通过对换热器压降和传热性能的综合分析,得出填充铝泡沫后换热器的综合性能比不填充泡沫金属的普通套管换热器更好。 关键词:泡沫金属;套管换热器;强化传热 中图分类号:TQ051. 5 文献标识码:A 文章编号: 1001-4837(2010)05-0001-05 do:i 10. 3969/.j issn. 1001-4837. 2010. 05. 001 1 引言 泡沫金属是一种低密度的多孔介质,具有优良的热学、力学、电学和声学性能。其具有以下特点: (1)质量轻、强度高、硬度大; (2)有很大的比表面积,这使流体流过时可得到很大的接触面积,将热量传递给泡沫金属固体骨架,从而储存能量强化传热; (3)与流动方向相垂直的孔棱可将边界层隔断并使流体相互混合,强化流体湍动。当基于孔径的雷诺数超过10时,流体流动进入过渡流区;超过100时流动类型属于湍流[1]。在传热过程中热弥散是必不可少的,文献[2]研究显示横向掺混比纵向掺混更重要,因此湍流和弥散进一步强化了传热性能。此外,流体流经的泡沫通道是相互连通的,充分利用了所有的面积。可以看出,利用泡沫金属可制成质量更轻、更加紧凑、传热效率更高的换热器、电子装置的散热器等。文献[3]研究指出扁平泡沫金属不仅强化传热,而且提高了效率。泡沫金属换热器同传统换热器相比,热阻几乎减少了1/2。文献[4]研究指出方形通道中插入泡沫后,压降虽然有所增加,但热流量提高了15倍。 目前,针对泡沫金属填充方形套管换热器的研究较少,普遍的做法是取换热管的一部分,将其设置为等壁温或等热流边界条件,这样处理将不能获得强化传热管对管外流体流动和传热的影响。文中对铝泡沫填充方形套管换热器内管内的流动和传热进行了试验研究和数值模拟。 2 试验方案 2. 1 试验材料 图1示出试验所用2种开孔铝泡沫材料,表1列出2种材料的流动参数。 2. 2 试验设备 图2为试验装置示意图。 空气经过压缩机压缩后进入储气罐,再通过背压阀进入流量测量段,由玻璃转子流量计(大流量流量计)以及旁通来控制空气流量,然后空气经过电加热器加热,被加热的空气进入试验测试部分,试验测试部分全长500 mm;内管为方管(42 mm×42 mm,厚4 mm);外管为圆管(Φ100mm),内管填充铝泡沫(42 mm×42 mm)。热空气走方形套管换热器的内管,冷却水走环隙,由水槽提供,用玻璃转子流量计(小流量流量计)控制流量。2种工质为逆流,工质的温度用热电偶进行测量,进出口压差由压差传感器测量,以上数据由数据采集系统显示。 3 数值模拟 采用GAMBIT 2. 3. 16建立整个套管换热器的三维模型,采用FLUENT 6. 3. 2软件对湍流情况下的整个套管换热器的对流传热进行数值模拟。 3. 1 物理模型的选择 数值模拟中求解器选择稳态隐式分离求解器,湍流模型选择k—ε双方程模型,打开能量守恒方程。动量方程采用Forchheimer-extend-Darcy模型形式(见式(1)),通过与试验结果比较采用文献[5]提出的经验公式(见式(2)),泡沫金属区域的总体有效导热系数keff由固体的导热系数和流体的导热系数的体积平均值计算(见式(3))。能量方程修改了导热流量和过渡项,导热流量使用有效导热系数keff,过渡项包括多孔介质固体区域的热惯量(见式(4))。 3. 2 基本假设 换热器内的传热过程包括:流体的热传导,泡沫金属及内管管壁的热传导,固体相和流体相的对流传热。计算中采用如下假设: (1)文献[6]指出当泡沫金属温度小于1500 K时,辐射传热仅占总传热量的5%左右。而本文最大温度为473 K,因此不用考虑热辐射; (2)泡沫孔隙率为常量,且泡沫金属各向同性、连续均匀; (3)流动和传热均达到充分发展和稳定,文献[7]指出同光管相比填充泡沫金属管的入口段非常小,一般可以忽略。 4 数值模拟分析和试验结果比较 4. 1 数值模拟分析 从图3可看出,对于压降:未填充铝泡沫的进出口段流动阻力很小,与泡沫金属填充区相比,压降几乎可以忽略。铝泡沫填充区随着流动阻力的不断增大,其压力沿着流动方向逐渐的降低。对于流速:未填充铝泡沫的进出口段管道中心流速逐渐增大,在到达泡沫金属填充区后,流体流速在各个方向流速相等,流速大小与进口处的平均流速相等。这是由于泡沫金属各向同性,孔隙结构分布均匀而引起的。 图4示出模拟试验工况下,在不同位置处管内流体在横向截面的速度分布。可以看出,在空气入口段,随流体向前运动,边界层逐渐增厚,但在到达铝泡沫填充区时,边界层迅速减小。在铝泡沫填充区出口处边界层最薄,这说明与空管相比,铝泡沫使流动更加均匀,边界层更薄。 图5示出填充铝泡沫后内管中心处热空气的温度明显降低,而空管中心处温度几乎没有降低。图6示出内管中热空气、碳钢管、环隙中冷却水沿长度方向的温度分布。可以看出,在未填充铝泡沫的区域热空气温度变化很小,碳钢管壁温度与冷去水温度接近。但在铝泡沫填充区,热空气温度明显降低,碳钢管壁温度非常接近热空气温度,这是由于空气侧对流传热系数显著增大,铝泡沫固体骨架的导热系数较大引起的。 4. 2 试验结果及与数值模拟比较 图7示出铝泡沫填充方管单位管长的压降随流速的增加呈指数增长,随孔密度的增加而显著增长,且随流速的增大越明显,表明流体阻力受流速的影响很大。通过比较,可见数值模拟的结果和试验的结果十分接近,说明数值模拟的结果是正确的。 图8示出不同流速下2种铝泡沫对换热器总体换热能力的影响。可以看出,热流量随流速的逐渐增大而单调递增,随孔密度的增大,其传热能力也增强,这是由于总传热面积增大及扰流增强导致。在铝泡沫仅填充管程1/5体积的情况下,与光管的能力相比,换热器的热流量提高了3. 5倍以上。且可看出数值模拟结果比试验结果高5%左右,两者吻合较好。这是由于试验中泡沫金属固体骨架与管壁中间有空气层,接触不够紧密产生接触热阻,而数值模拟忽略接触热阻导致。 4. 3 换热器性能综合评价 在任何换热器设计中必须综合考虑传热性能和换热器消耗能量的关系。文中压降通过引入消耗泵功率W·(见式(5))和传热通过引入单位长度的热流量(Q /L)来进行评价,最后通过引入性能因数I(见式(6))来对其综合性能进行评价。 从表2可看出,与空管相比,填充铝泡沫后压降虽然有显著增大,但其热流量得到显著提高,为空管的15倍左右,而且综合考虑耗能和传热性能,其效率是空管的13倍左右。 5 结语 以热空气为工质对2种铝泡沫填充方形套管换热器内管的换热进行了试验研究,并通过数值模拟对其内部的压力场、速度场和温度场进行了描述,且试验结果和数值模拟结果符合较好。结果表明通过添加泡沫金属,虽然造成更多的压力损失,但方形套管换热器的总体换热能力可以显著增强。综合考虑传热性能和换热器消耗能量,与空管相比其效率可提高13倍左右。 参考文献:略 符号说明: C2———内部阻力系数,1/m Da———达西数 F———惯性系数 H———泡沫金属横截面宽度,m Jj′———组分的扩散流量,kg/m2 K———渗透率,m2 L———泡沫金属长度,m PPI———泡沫金属每英寸上孔的数目 Q———传热速率,W ReH———基于渗透率的雷诺数 Shf———流体焓的体积源项,J/m3 Shs———固体焓的体积源项,J/m3 Vf———流体的体积流量,m3/s W·———泵消耗功率,W hf———流体的焓,J/kg hs———固体骨架的焓,J/kg keff———有效导热系数,W /(m·K) kf———流体的导热系数,W /(m·K) ks———固体的导热系数,W /(m·K) p———压降,Pa Δp———压差,Pa u———流速,m /s ε———孔隙率 μ———动力粘度,Pa·s υ———运动粘度,m2/s ρf———流体的密度,kg/m3 τik———应力张量,J 1/α———粘性阻力系数,1/m2 |
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