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螺旋隔板三维翅片管传热实验研究与数值模拟点击：1915 日期：[ 2014-04-26 21:39:41 ] |
| 螺旋隔板三维翅片管传热实验研究与数值模拟 刘晓红1,熊 剑2,张正国2 (1.广州航海高等专科学校轮机系,广东广州 510725;2.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州 510640) 摘要:文章对冷却水在换热器管程流动并与壳程的热油逆流换热条件下,对螺旋隔板三维翅片管换热器的传热与压降性能进行了实验研究,并与光滑管进行了对比。在相同壳程Reynolds数下,三维翅片管的壳程Nusselt数是光滑管的2. 2—2. 9倍,而压降是光滑管的2. 3倍左右。采用计算流体力学软件Fluent6. 0对螺旋隔板三维翅片管和光滑管换热器进行了数值模拟。结果表明,螺旋流条件下光滑管表面速度矢量均匀、稳定,而三维翅片表面的速度矢量因翅片激发流体而产生湍动和不规则的二次流,从而强化了流体的对流传热。对于螺旋隔板三维翅片管换热器,壳程Nusselt数和压降的数值模拟结果与实验计算值吻合良好,最大偏差分别为6. 3%和9. 8%。 关键词:三维翅片管;螺旋隔板;数值模拟;传热强化 中图分类号:TK 124 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2009)11-0008-04 采用强化传热技术能有效地提高换热器的传热性能,早在20世纪70年代后期国内外就广泛开展了强化传热的研究工作,并指导开发出了系列的高效换热器[1]。螺旋隔板换热器则是20世纪90年代初开发出的新型管壳式换热器结构,流体动力学研究表明[2],壳程流体类似于塞状流,几乎没有反混和流动死区。在相同的壳程压降下,螺旋隔板换热器的传热系数比普通弓型隔板换热器明显提高[3-4]。近年来,许多学者采用数值方法对螺旋隔板光滑管换热器的流动与传热性能进行了模拟,获得了换热器的优化结构和操作条件[5-6]。文献[7-8]的实验研究表明,螺旋隔板与三维翅片管搭配具有显著的强化传热效果,且优于二维翅片管。本文是在前期工作基础上,采用数值方法对螺旋隔板三维翅片管换热器的壳程流动与传热性能进行研究,并与光滑管进行性能对比,从而揭示三维翅片的强化传热机理,并为螺旋隔板三维翅片管换热器的设计提供参考。 1·实验系统 实验采用润滑油(牌号:Mobilther Ligh,t 603)与水换热为研究对象,由于润滑油具有高的黏度和低的导热系数,因此比水的传热系数低得多,需进行传热强化。实验流程如图1所示。 它主要由螺旋隔板套管换热器、油箱、水箱和测量系统组成。润滑油在油箱中被加热到给定温度后,经油泵送到螺旋隔板套管换热器的壳程并绕隔板进行螺旋流动。来自水箱的冷却水在管内流动并与壳程润滑油呈逆流换热。实验部分冷却水和润滑油的温度由直接连接到电脑的数据采集仪获得;冷却水的流量用玻璃转子流量计测得,油流量用椭圆齿轮流量计及秒表测量并计算得到,壳程的进出口压力差由U型管压力差计测得,油箱里的油温用恒温控制装置调控。为便于固定螺旋隔板,需先将光滑管加工成螺旋槽管,再加工三维翅片,隔板在管外沿螺旋沟槽缠绕,其示意图如图2所示。 实验管为铜材,螺旋隔板为铅材。将缠绕螺旋隔板的三维翅片管和光滑管分别套入内径为27mm的圆管内构成螺旋隔板套管换热器,隔板间距为17.6mm,螺旋隔板厚度为1.2mm,螺旋角约40°,隔板的外圆直径与外套管内径负偏差低于1 mm,传热管有效长度为570mm。三维翅片管由16mm×1.5mm的光滑管进行加工,结构参数见表1。作为传热性能对比的光滑管,参数也为16mm×1.5mm。 2·数据处理方法 从能量平衡的计算值来看,水侧和油侧的能量平衡偏差小于2%,由此可见实验系统可靠。实验研究之目的是获得螺旋隔板套管换热器壳程的传热系数。壳程传热系数αo从如下总传热系数的常用公式计算: 式中:Ko是基于光滑管外表面积为基准的总传热系数,Ai为管内表面积,Ao为光滑管的外表面积,R为管壁热阻。αi是管内对流传热系数,由于管内表面形成了螺旋凸肋,则不可采用Dittus-Boelter关系式计算,需采用威尔逊图解法[9]求解。壳程Nusselt数Nuo,可用下式表示: 式中:dh为壳程流道的当量直径,λ为油的导热系数。 3·传热与压降实验结果 从图3和图4中可以看出,随着壳程油流体Reynolds数的增大其Nusselt数和压降也提高,在相同Reynolds数下,三维翅片管的Nusselt数是光滑管的2. 2—2. 9倍,而压降则是光滑管的2. 3倍左右。这说明在螺旋流条件下,三维翅片能强化油流体的对流传热。 实验系统测量参数的最大误差:温度0. 02℃,水流速0. 03 L/min,油流速0. 05 L/min,管长0. 5 mm,管直径0. 01 mm,隔板间距0. 5 mm,隔板高度0. 5 mm。根据Kline等[10]的误差传递公式计算出壳程Nusselt数最大误差为4. 1%,压降误差为±0. 2 kPa。 4·数值模拟结果 Fluent是对换热器的流动与传热性能进行数值模拟的常用软件,第1步采用该软件的GAMBIT前处理软件来模拟几何形状及生成网格。第2步将生成的网格导入Fluent软件并针对边界条件和材料物性进行数值模拟。本文中,壳程和管程出口边界条件设为压力出口,需要设定的参数是流体温度、出口当量直径、紊流强度。在这里采用k-epsilon RNG模型计算流体的流动与传热特性。 图5为Y-Z直角坐标体系内管程和壳程的速度矢量图,对于光滑管,坐标参数为X=0,Z=250—285 mm;对于三维翅片管,坐标参数则为X=0,Z=256—291 mm。管程Reynolds数Rei=24 000,壳程Reynolds数Reo=2 200。从图中可以看出,无论是光滑管还是三维翅片管,管程流体水为完全湍流,速度矢量非常紊乱。而从壳程来看,螺旋流条件下,光滑管表面的速度矢量十分均匀、稳定;而对于三维翅片管,由于翅片激发流体产生湍动,速度矢量受翅片干扰形成涡旋和二次流,变得不规则,从而强化了流体的对流传热,同时导致流体流动压降增加。 图6和图7分别是螺旋隔板三维翅片管换热器壳程Nusselt数和压降的实验值与模拟值对比。从图中可以看出,数值模拟值与实验值结果吻合较好,其最大偏差分别为6. 3%和9. 8%。数值模拟结果均高于实验的计算值。主要原因是在数值模拟过程中没有考虑壳体的散热损失和螺旋隔板产生旁路流和泄漏流的影响,而在实际过程中由于隔板的外圆直径与外套管内径存在1 mm左右的负偏差,且某些局部隔板与翅片管表面结合欠紧密,导致旁路流与泄漏的产生,从而导致单位质量流量下传热系数与压降的降低。 5·结论 通过实验研究和数值模拟,可以得出如下结论: (1)在相同壳程Reynolds数下,螺旋隔板三维翅片管换热器的壳程Nusselt数是光滑管换热器的2.2—2. 9倍,而压降则是2. 3倍左右,说明三维翅片管能显著地强化油的对流传热。 (2)Fluent软件的数值模拟结果表明,螺旋隔板光滑管套管换热器壳程速度场均匀、稳定,而螺旋隔板三维翅片管套管换热器的壳程由于翅片的扰动导致速度场不规则,形成了涡旋和二次流,从而强化了油的对流传热。 (3)螺旋隔板三维翅片管换热器的壳程Nusse数和压降的数值模拟值与实验计算值吻合良好,说明这种模拟方法较可靠。 参考文献:略 |
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