换热器结构
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曲面弓形折流板换热器壳程流体流动与传热点击：2170 日期：[ 2014-04-26 21:35:57 ] |
| 曲面弓形折流板换热器壳程流体流动与传热 钱才富1,高宏宇1,孙海阳1,2 (1北京化工大学机电工程学院,北京100029;2太原理工大学化学化工学院,山西太原030024) 摘要:提出一种新型折流板———曲面弓形折流板,并构造曲面弓形折流板换热器,采用数值模拟和实验相结合的方法研究其壳程传热和流动阻力性能。在实验方面,设计了实验用曲面弓形折流板和普通弓形折流板换热器试样,其中换热器管束采用可拆连接形式,以考察不同折流板结构和板间距的影响。通过改变管程及壳程流量和管程流体进口温度,获得了大量对应于不同折流板结构的壳程压力降和传热系数实验数据。在模拟方面,利用Fluent软件建立了曲面弓形折流板换热器和普通弓形折流板换热器流体数值分析模型,得到了壳程流体流场分布及壳程压力降和传热系数。结果发现,在相同结构参数和流动条件下,曲面弓形折流板换热器壳程压力降比普通弓形折流板换热器降低9%~24%,而壳程传热系数比普通弓形折流板换热器提高3%~11%。 关键词:曲面弓形折流板;数值模拟;压力降;传热 DOI: 10·3969/j·issn·0438-1157·2011·05·008 中图分类号: TQ 051·5 文献标志码: A文章编号: 0438-1157 (2011) 05-1233-06 引 言 管壳式换热器因其结构简单,设计与制造成熟,安全可靠以及适应性强等优点被广泛应用于石油化工、冶金、能源动力以及海水淡化等行业领域中[1]。传统管壳式换热器的壳程折流支撑结构大多采用单弓形折流板,这种折流板所引起的压力损失较大,同时存在流动死区,降低了换热器的传热效率[2]。为克服这些缺点,不断有新型的壳程折流支撑结构的换热器出现,如双弓形折流板换热器[3-4]、纵流管束换热器[5-6]、螺旋折流板换热器[7-11]、折流杆换热器[12]、自支撑管换热器[13]等。这些新型折流支撑结构的特点是:尽可能消除流动和传热死区,增加渗透性;减少甚至消除横流成分,使之变为纵向流[14-15]。死区的减少可使传热效率大幅提高,纵向流由于流阻小,又不会引发振动,因此可以大大提高壳程流速。 曲面弓形折流板换热器是钱才富等[16]提出的一种新型管壳式换热器,其结构如图1所示。它巧妙地利用圆弧形折流板,使被导流后的壳程流体流动曲线趋于光滑,并与流道相吻合,能有效改善壳程流体的流速分布,减少了流动和传热死区。 CFD技术是近20年来迅速发展起来的数值模拟技术[17]。本文采用CFD技术对曲面弓形折流板换热器和普通弓形折流板换热器的壳侧流体流动与传热性能进行数值模拟与研究,并进行实验验证,目的是为曲面弓形折流板换热器的设计和工程应用提供理论基础。 1 数值模拟 1·1 几何模型 本文由FLUENT中的三维建模软件GAMBIT建立分析模型,模型分曲面弓形折流板换热器和普通弓形折流板换热器两种类型,具体结构参数见表1。对于曲面弓形折流板换热器分别建立不同圆缺高度(15%D、25%D、35%D)不同折流板间距(100、150、200 mm)以及不同曲率半径(0·75D、D、1·25D、1·5D)的模型(D为壳体内径),而对于普通弓形折流板换热器,则建立相应圆缺高度和折流板间距的分析模型,以便比较。 由于换热器壳程结构相对复杂,在保证相关物理量准确的前提下,建立模型时作如下简化假设: (1)忽略折流板与换热管、折流板与筒体之间的间隙; (2)增加换热器壳程进、出口直管段长度,保证流体稳态流动; (3)假设流体流动和传热过程是均一、稳定的; (4)对传热导致的流体物性的变化忽略不计,如密度、黏性和比热容等; (5)筒体外壁与外界无热交换; (6)流体为牛顿流体,不可压缩、各向同性且连续。 建立出的几何模型如图2所示。 1·2 基本控制方程 换热器壳程流体的流动和传热受物理守恒定律的支配,必须满足以下3个方程。 式中 u, v, w分别为x, y, z方向的速度分量,m·s-1;gx, gy, gz分别为x, y, z方向的重力加速度, m·s-2,重力影响可忽略不计;t为时间, s;cp为比定压热容, J·(kg·K)-1;μ为流体黏度, Pa·s;λ为热导率, W·(m·K)-1;ρ为流体密度, kg·m-3;T为温度, K;P为压力, Pa。 1·3 网格划分及边界条件的设置 本文几何模型的网格化分和优化均在GAM-BIT软件中进行,由于曲面弓形折流板换热器和普通弓形折流板换热器壳程流域的模型都是复杂的几何体,所以网格化分采用分块划分的方法。在管壁附近对网格进行加密,以满足近壁函数法对低Reynolds数求解的准确性要求。整个模型单元数量在1300万左右。图3为曲面弓形折流板换热器的断面网格示意图。 使用分离式求解器,稳态隐式格式求解以保证收敛的稳定性;速度压力耦合方式采用基于交错网格的SIMPLE算法;流体为水,物性参数为等效温度下的常数;假设入口来流的速度均匀分布,忽略重力影响,壳体壁面和折流板采用不可渗透、无滑移绝热边界。 使用速度入口和压力出口边界条件,回流条件的设置采用湍流强度和水利直径,湍流强度通过用(6)式得到,湍流强度I定义为相对于平均速度uavg的脉动速度u′的比值;动量、能量以及湍流参量的求解采用二阶迎风格式。 湍流模型均采用标准的κ-ε湍流模型。入口给水流量范围20~41 m3·h-1,每隔1 m3·h-1计算一次。 2 实验测定 2·1 实验装置 实验所采用的换热器为单管程、单壳程固定管板换热器,结构及外形尺寸如图4所示。为能方便地更换管束(芯子)以作不同折流板结构以及不同折流板间距的实验,管板与管子采用特殊的夹紧连接结构。 换热器壳体尺寸为219 mm×10 mm,壳程总长为1834 mm;壳程和管程进出口内径均为66mm;换热管尺寸为19 mm×2 mm,换热管长为2000 mm,共有36根换热管,采用正方形排布,管间距为22 mm;折流板采用拉杆和定距管固定,拉杆共4根,均为12 mm,定距管分为100 mm、150 mm和200 mm三种不同长度;折流板外径为198 mm,厚度为4 mm,圆缺高度有15%D、20%D和25%D三种(D为换热器壳体内径),曲板的曲率半径为D。曲板和直板芯体共用同一个壳体,换热管数量、尺寸均相同。实验用普通弓形折流板和曲面弓形折流板如图5所示。 图6为水-水换热的实验系统图,流体流量用LWGY-80涡轮流量传感器测量,泵采用KQW65/250-15/2单级卧式离心泵,温度传感器采用K热电偶测量,壳程压力损失采用115l压差变送器,采集的数据传输到计算机中,计算机可以通过调节泵的开度调节流量。换热器采用玻璃纤维棉保温。冷却换热器将实验用换热器中壳程被加热的水冷却,冷却换热器中用于冷却的水来自地窖,并被连有风机的浮阀塔冷却。 实验时,热水走管程,冷水走壳程,管程流量保持不变,逐步变化壳程流体流量,测量各个流量下的温度、压差。完成一种结构形式的换热器实验后,只需抽出芯体,更换上另一种结构的芯子便可进行下一个实验。 2·2 实验数据处理 总传热系数h可由式(7)得到 式中 M为壳程流体的质量流量,cp为比定压热容,t1、t2分别为壳程流体进、出口温度;n为换热管根数;do为换热管外径;L为换热管长度;Δtmax=t1-T2,Δtmin=t2-T1,T1、T2分别为管程流体进、出口温度。 管程传热系数hi可由式(11)得到[18] 式中 λ为热导率;di为换热管内径,u为管内流速,ρ为流体密度,μ为管内流体平均黏度,μw为管程壁温黏度。 壳程传热系数ho可由式(15)得到 其中,Ri和Ro分别为管内、管外污垢热阻,由于实验所使用的是全新的换热器,因此可将其忽略不计;换热管导热热阻Rw可由式(16)得到,其中热导率λ可查表得到[18]。 3 模拟与实验结果 图7为在不同壳程流量下,圆缺高度为25%D、折流板间距为150 mm、曲率半径为D时的曲面弓形折流板换热器和结构参数相同的普通弓形折流板换热器的壳程折流板间总压降的变化。图中包含数值模拟和实验两部分结果,从图中可以看到,模拟和实验结果基本一致,曲面弓形折流板换热器的折流板间总压降比普通弓形折流板换热器对应值下降了9%~24%,且随壳程流量(也即壳程Reynolds数)的增加,差值逐渐变大。 数值模拟和实验结果还表明,随着折流板间距的不断减小,壳程流体流动阻力增大,和普通弓形折流板换热器相比,曲面弓形折流板换热器壳程折流板间总压降减小的比例也增大。还有,随着折流板圆缺高度的减小,曲面弓形折流板降低压力降的效果提高。 图8为壳程进口温度为27℃、管程进口温度为45℃、管程流量为20 m3·h-1时的曲面弓形折流板换热器和普通弓形折流板换热器壳程传热系数随流量的变化。该曲面弓形折流板换热器的折流板曲率半径为D、圆缺高度为25%D、折流板间距为150 mm,普通弓形折流板换热器的圆缺高度和折流板间距相同。图中也包含数值模拟和实验两部分结果,可以看出,模拟和实验结果也基本一致,曲面弓形折流板换热器壳程传热系数要比普通弓形折流板换热器对应值提高3%~11%,并且两种换热器的壳程传热系数都随着壳程流体流量的增大而逐渐增加。 数值模拟得到的流场分布表明,和普通弓形折流板相比,曲面弓形折流板所引起的壳程流体速度分布在流道内更加均匀,流线更为光滑,而且流动“死区”明显减小,其结果表现出来的就是压力降的降低和传热效果的提高。 4 结 论 本文对曲面弓形折流板换热器壳程流体流动和传热进行了数值模拟和实验验证,并与普通弓形折流板换热器进行了比较,得到如下结论: (1)在相同结构参数和流动条件下,曲面弓形折流板换热器壳程压力降比普通弓形折流板换热器降低9%~24%; (2)在相同结构参数和流动条件下,曲面弓形折流板换热器壳程传热系数比普通弓形折流板换热器提高3%~11%。 参考文献：略 |
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