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管壳式换热器动态特性数值仿真

点击:2120 日期:[ 2014-04-26 21:35:50 ]
                        管壳式换热器动态特性数值仿真                                 吴 峰         (西安石油大学石油工程学院油气储运工程系,陕西西安 710065)     摘要:应用有限差分法对顺流及逆流管壳式换热器动态特性进行了数值预测,计算模型考虑了壳侧流动不均匀性、流体轴向扩散效应及固壁轴向导热对动态特性的影响。采用隐式差分格式进行计算,研究了当进口流量及温度同时发生扰动时换热器温度等参数的动态响应以及换热器壁面比热容和导热系数对其动态响应的影响规律。结果表明,增大比热容能够增加温度响应的上升时间,增大换热器壁面的导热系数能够提高管侧出口的平均温度。     关键词:管壳式换热器;动态特性;数值仿真     中图分类号: TQ 051.501; TK 124  文献标志码: A     文章编号: 1000-7466(2009)05-0021-05     在工业生产过程中,经常需要根据工艺生产的要求,应用换热器对物料进行加热或冷却来维持一定的温度。由于换热系统运行中各种不稳定因素的存在,导致在换热器的运行过程中,流量和温度扰动经常发生[1~6],这对换热器的稳定运行非常不利。为保证工艺过程的稳定运行,必须对换热器进行有效的控制[7]。因此,对于换热器动态特性的分析具有一定的工程意义。     文献[8,9]认为,通过控制换热器的进口流量可以实现对其运行状态的精确控制。文献[10]在忽略固壁轴向导热及流体轴向扩散的情况下应用解析法研究了逆流式换热器在进口阶越流量扰动下的动态响应情况。文献[11]应用解析方法在忽略流体轴向导热的情况下对管壳式换热器动态特性进行了分析,文献[12]在忽略管壁轴向导热的情况下应用解析解对管壳式换热器的动态特性进行了理论分析,其求解方法非常复杂。文中应用有限差分法对管壳式换热器在进口产生流量及温度扰动情况下的温度动态响应进行了数值仿真,以探讨管壳式换热器稳定运行的控制方法,仿真过程考虑了流体的轴向扩散效应及换热器管壁的导热因素。     1·模型及控制方程     所分析的管壳式换热器的静态模型为对距离的常微分方程组,而动态模型则为对时间和距离的偏微分方程组。为简化数值计算,作如下假设:     (1)通道内流体为不可压缩流体,通道内的流动与换热视为一维问题,进、出口流体温度均一。     (2)流体的所有热物性均为常数,考虑壁面蓄热作用。     (3)考虑壳侧流体的纵向扩散以及管壁的轴向导热。     (4)通道外壁与外界绝热。     对于管壳式换热器而言,其流动与换热的示意图见图1。图1中虚线箭头表示管内逆流情况。换热器壳侧流体能量方程为:                               其中 W=ucpρAC,C=ρACLcp,Cw=ρwAcwLcpw式(1)~式(3)中,L为换热器总长度,l为换热器轴向任一点与其端面的距离;m;cp、cpw分别为流体及管壁比定压热容,J/(kg·K);τ为时间,s;A为对流换热面积,Ac、Acw分别为流动通道横截面积及换热器管壁横截面积,m2;t为温度,℃;D为考虑壳侧流体扩散效应参数,Kw为考虑管壁轴向导热效应参数,W/(m·K)。h为管内流体的对流传热系数,W/(m2·K)。下标1表示壳侧流体、下标2表示管侧流体、下标w表示管壁。     2·数值方法     对式(1)~式(3)进行有限差分求解,采用隐式格式,其差分格式如下:                                 t2(0,τ)=t1,in     t1(0,τ)=t1,in(10)     对于逆流式换热器,计算边界条件为:     t1(1,τ)=t1,in     t2(L,τ)=t1,in(11)     式(10)~式(11)中,下标in表示进口。     3·计算结果及讨论     给定壳侧不同阶跃程度的进口流量扰动,研究顺、逆流管壳式换热器管侧出口温度响应情况及响应趋于稳定时换热器冷、热流体沿流动方向分布的变化情况,其中t1为热流体(壳侧流体)温度,t2为冷流体(管侧流体)温度。对于顺、逆流换热器,t1,in=60℃,t2,in=20℃,流量扰动前对流传热系数h1r=h2r=1 000 W/(m2·K),换热器长度L=2·0 m。     3.1 顺流换热器     保持管侧流体流量不变,在壳侧不同进口阶跃流量扰动下顺流换热器管侧流体出口温度t2,0的响应及扰动后达到新的稳定状态时换热器冷、热流体温度沿流动方向的分布情况见图2。                  为进一步分析管侧流体流量扰动对壳侧的影响,保持壳侧流体流量不变,使管侧进口流量产生阶跃扰动及正弦波的温度扰动,温度扰动为sin(3τ),保持温度扰动量不变,改变流量的阶跃扰动量,其壳侧流体出口温度t1,0的响应见图3。                   由图2可知,管侧流体出口温度在不同壳侧进口流量扰动下的温度响应呈近似对称分布,同时冷热流体温度沿流动方向的分布在流量扰动下随着流量的增加而增加。图3表明,管侧进口流量的阶跃扰动的增加降低了壳侧流体的出口响应温度,对于温度的正弦波扰动,换热器出口温度的响应表现为频率保持不变,相位及幅值则有一定的变化。     3.2 逆流换热器     与顺流换热器相同,保持管侧流量不变,对壳侧流体进口给定流量阶跃扰动,逆流管壳式换热器管侧出口流体温度t2,0的的响应情况见图4。                   同理,保持壳侧流体流量不变,使管侧进口流量产生阶跃扰动及正弦波的温度扰动,其中温度扰动为sin(3τ),保持温度扰动量不变,改变流量的阶跃扰动量,其壳侧流体出口温度t1,0的响应见图5。     由图4和图5可知,在不同壳侧进口流量扰动下,逆流管壳式换热器管侧流体出口温度的温度响应、管侧进口流量的阶跃扰动对壳侧出口温度产生的影响以及温度的正弦波扰动对换热器出口温度的响应均与顺流管壳式换热器相似。                   3.3 管壁比热容及导热系数影响     换热器的管壁在热传递过程中具有蓄热作用,其比热容的大小对换热器的动态特性有一定的影响。因此,为研究管壁不同比热容取值对换热器管侧流体出口温度t2,0的响应的影响规律,保持壳侧流体扰动量ε=1·2,研究管壁不同比热容取值对其动态特性的影响,结果见图6。                  由图6可知,在流量扰动下,管壳式换热器管侧的出口温度几乎不存在延迟时间。这是由于对不可压缩流体而言,当管壳式换热器通道内流体的流量发生变化时,管壳式换热器在整个流程上的换热状况都有改变,因此,无论是顺流还是逆流工况,在管壳式换热器出口处的温度响应不存在延迟。同样,随着壁面比热容的增加,换热器出口温度响应的上升时间τa逐渐增大。     在壳侧流体进口阶跃流量扰动ε=1·2不变的情况下,壁面导热系数λ的不同取值对顺、逆流换热器管侧出口温度t2,0的响应及温升响应的影响规律见图7。                   由图7可知,对管壳式换热器而言,在相同的壳侧进口温度扰动量下,顺流换热器管侧出口温度响应存在着一定的延迟现象,而逆流换热器的延迟时间几乎为0。增大换热器壁面的导热系数能够提高管侧出口的平均温度,这主要是由于换热器壁面导热系数的增加能进一步强化换热器两侧流体热量传递的缘故。     4·结论     (1)管壳式换热器管侧流体出口温度在不同壳侧进口流量扰动下的响应呈近似对称分布,冷、热流体温度沿流动方向的分布在流量扰动下随着流量的增加而增加。     (2)管侧进口流量阶跃扰动的增加降低了壳侧流体出口的响应温度,对于温度的正弦波扰动,换热器出口温度的响应表现为频率保持不变,相位及幅值则有一定的变化。     (3)在流量扰动下,管壳式换热器管侧的出口温度几乎不存在延迟时间,随着壁面比热容的增加,换热器出口温度响应的上升时间τa逐渐增大。     (4)在相同的壳侧进口温度扰动量下,顺流换热器管侧出口温度响应存在着一定的延迟现象,而逆流换热器的延迟时间几乎为0,增大换热器壁面的导热系数能够提高管侧出口的平均温度。     参考文献:略
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