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折流杆换热器中折流杆形状对流动和传热特性的影响

点击:1216 日期:[ 2014-04-26 21:53:41 ]
p;       折流杆换热器中折流杆形状对流动和传热特性的影响                    王英双 马 雷 韦 杰 刘志春 黄素逸 刘 伟                   (华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074)     摘要:采用数值计算方法,以水为流动介质研究了不同类型的折流杆式换热器,并分析了其流动与传热特性。在Re为3 000~21 000时,方杆的换热效果明显优于圆杆,最多高出圆杆40%~50%,但其阻力最多却增加了3倍。采用h/ΔP作为综合性能评价参数,结果表明折流杆的形状为圆杆时综合换热效果最好。     关键词:强化传热;换热器;折流杆;数值模拟     中图分类号:TK172文献标志码: A     文章编号:1000-7709(2010)11-0128-03     换热器作为一种能源利用与能源节约的有效设备,已广泛应用于化工、炼油、动力、原子能、航空等行业。目前,应用最多的是管壳式换热器,优点为耐高温高压、工作可靠、制造简单、成本低、选材范围广、清洗方便[1],但其缺点亦较多。流体在壳程作纵向流动是管壳式换热器中最佳流向结构形式,其热力和水力效率最高,从而肯定了纵向流动在管壳换热器壳程设计上的重要性。折流杆换热器[2]是纵流壳程换热器的一种,以折流栅支撑结构代替折流板支撑结构,使制造和安装更方便、重量和成本更低,同时也使壳程流体由传统的横向冲刷管束变为纵向冲刷管束,有效地控制了当Re较大时换热管束间流体的诱导振动,减小了壳程阻力,提高了传热效率,并具有较强的抗结垢能力及较长的使用寿命[3~6]。鉴此,本文以换热器内流动和换热机理为指导,分析比较了几种不同折流杆换热器的流动和传热性能。     1 物理及数学模型     1.1 物理模型     采用两根折流杆夹持一根换热管的形式,计算单元的截面图见图1。                       忽略壳程壁面对流体管束间流动与传热的影响,同时假设两个相邻管束单元间的流体无热量和质量交换,即每两根管子间的计算单元流体边界为对称边界。为便于建立流体在管束间的流动与传热数学模型,作如下假设:①流体物性参数为常数;②流体不可压缩,且为连续性介质;③忽略重力作用;④流体为牛顿流体[7]。对此物理模型,可采用κ-ε湍流模型,同时结合质量、动量及能量守恒方程对折流杆式换热器壳程的流场、温度场和压力场进行数值计算。     1.2 数学模型     根据计算单元的物理模型,单相不可压缩流体稳态流动的控制方程(连续、运动和能量方程)详见文献[8]。对湍流区,采用标准κ-ε两方程模型,具体见文献[9]。     采用SIMPLE算法[9]解决压力和速度的耦合关系,求得速度和温度分布后,可求出换热系数:                    式中,D为计算单元的当量水力直径;Δp为进出口的流体压力差;um为计算截面水的平均速度;L为换热管束的长度。流体进口温度为10℃,计算时采用水作为工作流体。     选用圆形、方形、圆形方形相间、圆形菱形相间4种不同的折流杆模型,见图2。                     圆形折流杆换热器的换热管型号为16×1mm,换热管中心距为220 mm,折流栅间距为110mm,折流杆杆径为5.5 mm,当量水力直径为22.5mm,换热管长度为1.0 m。方形折流杆的边长L等于圆杆的直径D=5.5 mm,其余参数与圆杆相同。菱形折流杆采用方杆旋转90°的方式布置,其对角线长度L′=D=5.5 mm,其余参数与圆杆相同。     2 计算结果与分析     为分析计算单元的换热特性,以圆形折流杆Re=18×103的工况为例,研究其中心截面上(第4、5根折流杆之间)的局部速度场、温度场、压力场,结果见图3。由图可看出:①当壳侧流体Re=18×103时,沿流体流动方向流体温度逐渐升高,并趋于均匀。②当流体流过折流杆时,由于其扰流作用,该处速度变化较大,温度较均匀,表明在折流杆附近的流体换热效果较好。                     图4为流体流过折流杆的迹线。由图可看出,在上述假设条件下,折流杆对管束内的流体产生了明显的纵向扰流作用,且该扰流效果优于折流板产生的横向扰流效果。                     图5为不同Re下对流换热系数h、努塞尔数Nu、摩擦阻力系数f及压降ΔP的变化。由图可看出:①随着Re的增大,折流杆的扰流作用逐渐强烈,传热得到强化,换热系数和流动阻力均随之增加。②在相同折流杆间距下,方形杆的换热较强,其Nu明显高于圆杆,最大可增强40%~50%。这是因为在计算单元内,在方形杆的扰流下能产生更多的漩涡,从而增强了流体核心流区域的扰动,使核心流区域的流体温度更均匀[10,11]、换热效果明显增强。③方形折流杆的阻力系数比圆形折流杆大。④当Re为18×103时,方形折流杆的f约为0.55,约为圆形折流杆的3倍。此时圆形折流的形状更接近流线型,对流体流动的阻碍较小。⑤对圆杆方杆相间和圆杆菱形杆相间折流杆,两者的换热几乎相同,后者压降较前者略小,是因为模型中方杆的布置方式更接近流线型,对流体阻力较小。                     采用性能评价指标h/ΔP评价不同折流杆换热器的换热与流动的综合性能,见图6。由图可看出:①随Re的增大,h/ΔP均呈下降趋势,这是由于Re增大时,阻力的增加远大于换热的增强。②当折流杆杆型为圆杆时,其传热与流动的综合性能最好。                     3 结语     a.分析了不同雷诺数下折流杆换热器的换热机理,并分析了其温度场、压力场、速度场及流体迹线。     b.比较圆形和方形折流杆式换热器可知,方杆换热效果较圆杆最大可增强40%~50%,但其带来的阻力也相对较大。     c.圆杆与方杆相结合、圆杆与菱形杆相结合的方式在一定程度上既增强了换热、又无过大阻力,且后者更优;虽综合效果均不如圆形折流杆,但在某些对换热要求较高的场合,依然能发挥巨大作用。 参考文献: [1] 钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002. [2] Paidoussis M. Flow-induced Vibrations in Nuclear Re-actor and  Heat Exchangers[A]. Practical Experienceswith Flow-induced Vibration [C].New York:SpringerVerlag, 1979:1-81. [3] Lei Y G, He Y L, Rui L, et al. Effects of BaffleInclination  Angle on Flow and Heat Transfer of aHeat Exchanger with Helical  Baffles[J]. ChemicalEngineering Process,2008,47(12): 2 336-2 345. [4] Lei Y G, He Y L, Pan C, et al. Design and Opti-mization of Heat  Exchangers with Helical Baffles[J]. Chemical Engineering Science, 2008,63(17):4 386-4 395. [5] Dong Q W, Wang Y Q, Liu M S. Numerical and Experimental  Investigation of Shell Side Character-istics for Rod Baffle Heat  Exchanger[J]. AppliedThermal Engineering,2008,28(17):651-660. [6] Peng B, Wang Q W, Zhang C, et al. An Experi-mental Study of  Shell-and-tube Heat Exchangerswith Continuous Helical Baffles[J].  Journal HeatTransfer,2007,129:1 425-1 431. [7] 刘伟,刘志春,王英双,等.管壳式换热器纵流管束内的扰流机制与传热强化研究[J].中国科学(E辑:技术科学),2009,39(11):1 850-1 856. [8] 杨世铭,陶文铨.传热学(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2006. [9] 陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001. [10]刘伟,杨昆.管内核心流强化传热的机理与数值分析[J].中国科学(E辑:技术科学),2009,39(4):661-666. [11]马雷,王英双,刘志春,等.折流杆换热器的数值模拟及优化设计[A].中国工程热物理年会论文集[C].青岛:中国工程热物理年会编委会,2009,315-315.
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