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管壳式换热器壳程特性数值模拟点击：2042 日期：[ 2014-04-26 21:35:49 ] |
| 管壳式换热器壳程特性数值模拟 王 丹,董其伍,刘敏珊 (郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室,河南郑州450002) 摘 要:通过合理简化,建立管壳式换热器的实体模型,用大型CFD(computational fluid dynamics)软件FLUENT对于管壳式换热器壳程的流体流动与传热性能进行数值模拟研究.利用判断周期性充分发展段的3个主要特征,分别从压力差、无因次温度、速度3个方面,分析具有不同流体速度、不同流体介质、不同折流板间距时几种折流板管壳式换热器模型的进出口段对于壳程流体流动与传热性能的影响.结果表明,管壳式换热器结构一定的情况下,进出口段对壳程流体流动和传热周期性充分发展段的影响长度不随壳程流体性质、流动速度的变化而变化;随着折流板间距与筒体内径的比值增大而增大. 关键词:管壳式换热器;数值模拟;进出口段;充分发展段 中图分类号:TK172 文献标志码:A 文章编号:1671-7627(2009)05-0052-06 换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备.管壳式换热器具有制造简单、维护方便、适应性强、处理量大、工作可靠、能适应高温高压等优点,是目前国内外换热设备的主要结构形式.随着计算机的飞速发展,以计算机仿真模拟技术、先进流体测量技术等为代表的现代研究设计方法,已经成为传热研究中观察显示物理特性的强有力工具,极大地促进了换热器技术的深入研究和新型换热设备的开发应用. 在管壳式换热器数值模拟研究方面,国内外学者对于管壳式换热器壳程的研究所采用的数值模拟模型大多依然采用英国学者Patankar和Spal-ding于上世纪70年代提出的多孔介质模型[1],随后又出现了周期性模型[2-5]、实体模型[6]等模拟方法,但是这些方法都有一定的局限性. 在管壳式换热器壳程中,由于主体几何结构呈周期性变化,当流体进入充分发展段后,流动与传热都以一个几何周期为周期在主流方向重复地变化.因此管壳式换热器壳程从进口到出口可分为进口段、充分发展段和出口段.周期性模型即是取换热器充分发展段的一个周期为计算区域来研究管壳式换热器壳程流体的流动与传热规律,但是充分发展段的流体流动和传热性能并不能完全代表整台换热器的流体流动和传热性能. 因此,本文通过合理简化,建立管壳式换热器的实体模型,从整体结构上研究管壳式换热器壳程流体的流动和传热特性,并分析壳程流体在不同流速、不同介质以及管壳式换热器在不同折流板间距下,进出口段对于壳程流体的流动和传热特性的影响长度. 1·理论基础 对于具有周期性结构特征的模型,周期性充分发展区域具有以下特征[7]: u(r) =u(r+L) =u(r+2L) =…(1) v(r) =v(r+L) =v(r+2L) =…(2) w(r) =w(r+L) =w(r+2L) =…(3) 式中:r为流体质点位置矢量;L为周期段长度矢量;u、v、w分别是x、y、z3个方向的速度. 对于黏性流体,压力沿流体流动方向不具有周期性,但沿流动方向一个周期内的流体压力降ΔP具有周期性特征.即 ΔP =P(r) -P(r+L) = P(r+L) -P(r+2L) =…(4) 当管壁为恒壁温时,设壁温为Tw,每一个几何周期的进、出口面的平均温度为Ti、To.因为流场的周期性与壁面边界条件的一致性,因此每一个几何周期的努塞尔数Nu都相等. 因此,流体进入周期性充分发展段后,每一个几何周期的Θ值相等. 管壳式换热器壳程流体进入充分发展段以后,具有上述的周期性.为此,本文将从以上3个方面判定管壳式换热器进出口段对于壳程流体流动和传热特性的影响长度. 2·模型的建立 2·1模型的简化 根据管壳式换热器经典设计准则[8-9],本文模型的主要结构尺寸如表1所示. 2·2 网格划分 由于模型是轴对称结构,因此为了减少总网格数量、提高计算速度,从模型的轴对称面处截开,取一半的模型进行模拟计算,截面采用对称面边界条件即可.根据本模型的结构特点,计算区域采用分块划分、结构化和非结构化网格相结合的方式进行网格划分,模型网格图如图1所示.对于同一个模型在边界条件相同的情况下,对网格划分进行考核,对现采用的网格进行加密,比较加密网格后和加密网格前所计算的壳程压降及温度变化结果,确保所得计算结果是网格独立的解. 2·3 边界条件设定 本文模型中的流体流动均在湍流状态下,因此在计算过程中采用离散求解器和k-ε湍流模型,打开能量方程.壳程流体采用速度进口,流体初始温度为288 K;换热管管壁设为恒壁温383 K;壳体壁面、接管壁面、各折流板面、两侧管板均设为绝热面边界条件;本模型操作条件为标准大气压,将出口设定为压力值为0 Pa(表压)的压力出口.压力和速度耦合采用SIMPLE算法,动量和能量方程离散采用二阶迎风差分格式.采用标准化残差的形式来判断计算方程的收敛性,残差精度分别取:连续性方程、动量方程及k、ε方程残差均为10-3,能量方程残差为10-6[11]. 2·4 模型验证 为了验证本文模型计算结果的正确性,利用现有的实验条件进行换热器的传热性能实验,根据实验模型换热器的结构尺寸建立整体模型,依照实验操作条件,对整体模型进行数值模拟,将模拟结果与实验结果进行对比,结果如表2所示. 由表2可见,数值模拟所得的壳程出口温度与实验相比,相对误差最大不超过1%,且均随着流量的增大而减小.数值模拟所得壳程总压降与实验相比,相对误差为-30% ~-26%,在工程许可的范围之内.导致此误差的主要原因是实验模型加工精度有限,数值模拟模型与实验模型在结构上不能做到完全一致.由以上分析可得,数值模拟结果与实验结果符合较好,所采用的模拟方法可以满足工程实际要求. 3·结果与分析 分别取相邻2块折流板的中间面和第1块折流板前及最后一块折流板后1/2折流板间距处的2个面作为主要考察对象,如图2所示.图2中黑色为折流板,灰色为考察面. 3·1 不同壳程流速 对于每相邻2块折流板组成的1个几何周期段,用前一个考察面的平均压力减去后一考察面的平均压力得到1个压力差,以几何周期个数为横坐标、周期段的压力差为纵坐标,得到各个几何周期段的压力分布曲线,如图3所示.类似于压力差的算法,对于每一个几何周期段计算出1个Θ值,以几何周期个数为横坐标,Θ值为纵坐标,得到各个几何周期段的无因次温度曲线,如图4所示. 由图3可见,每一个几何周期段的压力差均随壳程流体Re的增大而增大,每一种确定流速下,从第2个压力差到倒数第2个压力差几乎位于一条直线上(注:此直线只是为了方便说明各点的值是否存在差别,直线本身没有实际意义),说明从压力差的变化情况分析,壳程流体从进口翻过第1块折流板后到倒数第1块折流板前,每经过1个几何周期的压力降几乎是相等的,即流体在此期间已经达到充分发展段.同样,图4说明从无因次温度变化情况分析,流体从进口翻过第1块折流板后到倒数第1块折流板之前,每经过1个几何周期的无因次温度值几乎是相等的,即流体在此期间达到充分发展段. 以壳程流体Re=10 000为例,各考察面的速度云图如图5所示.由图5看出,从换热器进口第3个考察面到倒数第2个考察面,流体每经过1个几何周期段前后2个截面的速度云图大致相同,即流体从进口翻过第2块折流板后到倒数第1块折流板之间流体进入周期性充分发展段.在管壳式换热器结构一定的情况下,进出口段对壳程流体流动和传热周期性充分发展段的影响长度不随壳程流体流动速度的变化而变化. 3·2 不同壳程流体介质 将壳程流体介质由水变为空气,各个几何周期段的压力分布、无因次温度分布分别如图6和图7所示. 同样,当管壳式换热器壳程流体介质为空气,以流体Re为10 000时为例,图8为截取考察面的速度云图. 由图6~图8可以看出,当管壳式换热器结构一定时,壳程流体介质由水变为空气,流体从进口翻过第2块折流板之后到倒数第1块折流板之前为周期性充分发展段,由此可得,在本文的研究范围内,进出口段对于周期性充分发展段的影响长度不随壳程流体介质的变化而变化. 3·3 不同折流板间距 保持管壳式换热器壳程流体介质为水,流体Re=10 000,折流板间距分别取50、75、100mm 3种情况时,各个几何周期段的压力差、无因次温度曲线图分别如图9、图10所示.壳程流体Re=10 000时,折流板间距为50和100mm时速度云图分别如图11和图12所示. 由图9~图12可以看出,折流板间距不同的3种情况下,流体都是从进口翻过第2块折流板之后到倒数第1块折流板之前为周期性充分发展段,由此可得,在本文的研究范围内,进出口段对于周期性充分发展段的影响长度随着折流板间距与壳体内径比值的增大而增大. 4 结 论 本文主要采用数值模拟的方法,依据判断周期性充分发展段的3个主要特征参数,分别从压力差、无因次温度、速度3个方面,分析确定了管壳式换热器壳程流体在不同流体流速、流体介质和不同折流板间距时,进出口段对于壳程流体流动与传热性能的影响长度.在本文的研究范围内,得出管壳式换热器壳程流体从进口翻过第2块折流板后到出口处第1块折流板之前,流体流动和传热性能为周期性充分发展状态,在管壳式换热器结构一定的情况下,进出口段对壳程流体流动和传热周期性充分发展段的影响长度不随壳程流体性质、流动速度的变化而变化;随着折流板间距与筒体内径的比值增大而增大. 参考文献:略 |
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