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蛇管式换热器传热性能及其数值模拟点击：2580 日期：[ 2014-04-26 21:53:45 ] |
| 蛇管式换热器传热性能及其数值模拟 赵 壮 李文昌 王小芳 (华东理工大学) 摘 要：利用Fluent对光滑蛇管换热器进行了模拟,将得出的结果与经典理论比较,发现数值模拟方法具有相当的可靠度,并在相同外部条件下对4种不同结构的波纹式蛇管进行模拟,得出湍流状态下管内流体的温度场和速度场,从微观上说明了波纹管强化传热机理。分析了波纹高度对波纹式蛇管传热效率的影响。 关键词：蛇管换热器 波纹高度比 数值模拟 中图分类号：TQ051·5 文献标识码：A 文章编号：0254-6094(2010)04-0461-04 蛇管式换热器是以蛇形管作为传热元件的换热器,它结构简单,制造、安装、清洗和维修方便,价格低廉,在工业生产中得到广泛的应用[1]。但是,它的缺点也是很明显的,即传热效率低,造成浪费,这显然不符合高效传热系统的要求。如何对蛇管传热进行有效强化一直是传热领域最活跃最有生命力的课题,在众多强化传热方式中,螺旋槽管和波纹管被广泛认为具有比较优越的强化传热性能[2, 3]。笔者在此考虑采用波纹型强化换热管代替蛇管式换热器中直管的方式来优化蛇管式换热器的性能。 随着计算流体动力学(CFD)和计算机技术的飞速发展,采用数值模拟方法对蛇管换热器的流场进行研究,能够得到用实验方法无法得到的流场的详细信息,成为有效的研究方法[4]。笔者采用商用CFD软件Fluent分别对普通蛇管式换热器和波纹式蛇管换热器在湍流状态下的流场进行了模拟,依据模拟结果对它们的性能进行了分析比较。 1 普通蛇管及波纹式蛇管结构 蛇管式换热器中的换热管是由金属或非金属管子按需要弯曲成长的蛇形管,本文模拟所使用的蛇管结构如图1所示,是将一根内径为25mm的铜质长直管弯成4段,其弯曲处曲率半径为40mm。 波纹管结构如图2所示,它是将长直铜管外表面沿径向处理成大小圆弧相切,内外形如波纹状的薄壁管子。 对蛇管进行波纹处理后成波纹式蛇管,其结构如图3所示。 2 数值模拟 2.1 普通蛇管的数值模拟 为了验证本文模型和计算方法的可行性,首先按照文献[4]提供的方法对光滑蛇管管内湍流流动和换热情况进行数值模拟。采用如图1所示内径D=25mm,单段长度L=500mm,弯管部分曲率半径为40mm的光滑蛇管,对不同流速工况下,进行恒壁温加热的模拟实验,通过后处理报告得到不同流速下的壁面平均努塞尔特数Nu。模拟采用的工质为温度Tf=293K的水,其物性参数为ρ= 998. 2kg/m3,Cp= 4 183J/(kg·K),μ=1. 006×10-3N·s/m2,λ=0. 6W /(m·K),Pr=7. 02。管壁材料为铜,导热系数λ=387. 6W /(m·K),管壁温度Tw=353K。设立的边界条件为入口速度流(Velocity-inlet)以及出口流(Out-flow)。 Nu的理论计算值采用的是迪图斯-波尔特(Dittus-Boelter)公式: 数值模拟得到的Nu相应的理论计算值见表1。 由表1可以看出,Nu模拟值与理论值的偏差较小,在5%以内。模拟结果满足工程要求的精度,因此该模拟采用的数学模型和计算方法是可行的,可用对换热效果进行验证。 2.2 波纹式蛇管计算模型 为了验证波纹式蛇管的换热效果,将之与相同条件(尺寸、入口、边界条件)下的光滑蛇管进行比较,模拟采用4种不同D2/D1的波纹管,分别记为2#、3#、4#、5#波纹管。其中波纹管直线段直径D1=25mm,波峰直径D2分别为35、40、45、60mm。波纹管直线段长度L1=12mm,弧形段长度L2=20mm。L1/L2=0. 6,文献研究表明,波纹间距L1/L2的变化对波纹通道内传热的影响可以忽略,而波纹高度对传热性能的影响相当显著。因此,有必要对不同波纹高度的波纹管进行模拟研究。 光滑蛇管记为1#管,其内径D=25mm,单段直管长度L=500mm,弯管部分曲率半径为40mm。 2.3 数值计算方法 首先使用fluent前处理软件gambit建立几何模型,并用T-grid方法划分六面体网格,边界条件定义为流体速度入口和自由流出口,在常物性和宏观能量守恒的假设条件下,管内流体的流动和热量传递满足连续性方程、动量方程以及能量方程。湍流模型采用标准k-ε模型,用SIMPLEC算法处理速度和压力的耦合问题。管壁设置为恒壁温加热。 入口速度大小分别取u=0. 09、0. 12、0. 16、0. 24、0. 32、0. 40m/s。入口处水流温度为293K,壁面温度恒定为353K。 3 波纹式蛇管数值模拟结果与数据分析 图4为计算机模拟出Re与Nu的关系曲线。 取入口速度为u=0. 12 m/s、Re=3 000时的5根管子出口温度进行模拟分析,分析结果如图5~9所示。 由模拟结果可以看出,波纹式蛇管的换热效率较光滑蛇管有显著的提高,而且随着波纹高度的增加,换热效果愈加明显。换热效率分别为光管的1. 14、1. 24、1. 31、1. 30倍。但是当波纹高度比D2/D1高于1. 8时,如4#管,出口处管中心流体的温度和波纹高度比为1. 8时的3#管相差不多,这说明虽然增加波纹高度能增大换热面积,提高换热效率,但是波纹高度应该控制在一个合理的范围内,如果超出这个范围,那么换热效率提高将不那么明显,反而增加了流体的阻力,这与高志伟[5]等人通过实验方法得出的结论也有一定契合,说明了数值模拟方法可以对实验有一定验证作用,并可以在某些复杂情况下代替部分实验,减少实验次数。 下面通过选取光滑管和波纹管的截面速度(图10、11)来分析得出以上结论的原因。由图10、11可看出,光管截面流道速度梯度较小,速度分布较均匀,光管中心处速度最大,由于受到壁面剪切应力的作用,近壁处的速度较小,并且越靠近壁面速度越小,直到壁面的速度为0,这与参考文献[6]的结论是一致的。而波纹管由于特殊的波峰与波谷设计,使管内流动分为等直径流速型和弧形流速型,流体沿流动方向在波峰处速度降低、静压增大;波谷处速度增加、静压减小。这样流体是在反复改变速度及压力梯度下进行的,产生的漩涡冲刷着边界层,极大地破坏了边界层的形成。这种周期性的截面变化增加了靠近管壁附近的湍流强度和湍流给热能力,使层流和过度流达到湍流传热,从而提高了传热效率。其管外相应形成的波纹表面不但扩大了传热面积,也增加了扰动,使传热效果显著提高。但是当波峰直径太大,如4#管,会造成波峰区域弧形段内流体流速过小,导致主流体无法穿过漩涡与壁面进行热量交换,波纹不能对流体进行有效扰动,影响了强化传热的作用。 4 结论 4.1 笔者对光滑管管内湍流流动和换热进行了数值模拟,模拟结果与经典结论的偏差很小,验证了所用数学模型和计算方法的可行性。 4.2 波纹管由于特殊的波峰与波谷设计,使管内流体是在反复改变速度及压力梯度下进行的,极大地破坏了边界层的形成。增加了靠近管壁附近的湍流强度和湍流给热能力,使层流和过度流达到湍流传热,从而提高了传热效率。 4.3 波纹高度比D2/D1不宜太高,否则波纹无法对流体进行有效的扰动,模拟结果表明D2/D1应保持在1. 8以下。 参考文献 1·陶文铨.数值传热学(第2版).西安:西安交通大学出版社, 2006. 70~80 2·崔海亭,彭培英.强化传热新技术及其应用.北京:化学工业出版社, 2005. 26~27 3·ZimparovV D. Enhancement ofHeatTransferby a Com-bination of Three-start Spirally Corrugated Tubes with aTwisted Tape Insert. Int J Heat Mass Transfer, 2001(44): 51~54 4·张晓露.螺旋槽管传热及流阻性能的数值模拟研究:[硕士论文].上海:华东理工大学, 2006 5·高志伟.波纹管强化传热机理及应用.东北电力技术,2000(12): 47~48 6·侯琳洁.波纹管强化传热的数值模拟研究: [硕士论文].西安:西安科技大学, 2007 |
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