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可拆式螺旋板换热器传质传热的数值模拟点击：2311 日期：[ 2014-04-26 21:53:48 ] |
| 可拆式螺旋板换热器传质传热的数值模拟 刘宝庆1, 王 冰1, 2, 蒋家羚1, 张 琼3 (1.浙江大学化学工程与生物工程学系,浙江杭州310027; 2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心,安徽合肥230031; 3.杭州川空通用设备有限公司,浙江杭州311100) 摘要:应用计算流体动力学(CFD)和数值传热学方法,建立了考虑可拆式螺旋板换热器(DSHE)内流动与传热的三维数学模型,分析了换热器内流体的流速、流向、流动状态以及换热器高度、流道间距、接管形式等流动与结构参数对传热系数、系统压降及传热-压降性能系数EK等参数的影响.结果表明,几何结构一定时,流速增加会使传热系数增大、压降增大、性能系数减小,但相比之下,适当提高油侧流速比提高水侧流速对强化传热更经济有效;而在流量一定情况下,随换热器高度或板间距增大,传热系数和压降会减小,传热-压降性能系数EK会提高,但螺旋板圈数增加却会使传热系数、压降、传热-压降性能系数均有不同程度的劣化,同时金属板材消耗量增大,经济性降低.此外,切向接管和逆流流动更有利于强化传热和减小压降,换热器综合性能更好.这些结果对可拆式螺旋板换热器的结构优化与参数调试具有重要的参考价值和指导意义. 关键词:可拆式螺旋板换热器;传质传热;数值模拟;因素分析 文章编号: 1005-0930(2010)01-071-09 中图分类号:T2051. 5 文献标识码:A 当前换热器发展的基本方向是提高设备的有效热利用率,改进设备结构的紧凑性,加速设计、制造的标准化、系列化和专门化.可拆式螺旋板换热器作为一种典型的紧凑式换热器,最早由瑞典Rosenblad公司研究成功,具有结构简单、制造方便、传热效率高、阻力小、易于清洗检修等优点,适用于大工业生产的多个方面[1-3].工作过程中,冷热流体在螺旋形通道内独立流动,并通过金属间壁换热,是一个流动与传热同时进行的过程.压降和传热系数是可拆式螺旋板换热器运行过程的重要参数,它们与冷热流体的流动参数如流速、流向、流动状态以及换热器高度、流道间距、接管形式等结构参数密切相关.为实现对可拆式螺旋板换热器的结构优化设计以及运行参数的合理调试,了解上述因素对换热器性能的影响,借助数值模拟方法分析了上述性能指标在各运行参数和结构因素影响下的变化趋势[4-5]. 1 数学模型及模拟条件 可拆式螺旋板换热器内的流动是一个伴有对流与传导换热现象的湍流流动.对于冷热流体的湍流流动,采用由Yakhot和Orzag[6 ]提出的始于旋转流模拟的RNGk-ε模型进行描述,在近壁面处采用壁面函数法进行处理.因此,描述可拆式螺旋板换热器内流体流动与传热的封闭控制方程组就包括连续性方程、动量方程、能量方程、RNGk-ε双方程等7个方程[7 ],用来求解速度、压力、温度等变量.为保证计算精度,各控制方程的离散采用二阶迎风差分格式,用SIMPLE算法[8-9]进行压力-速度耦合. 整个有限元模型借助四面体非结构化网格进行离散化,在入口与出口区域进行局部加密,具体划分产生节点291949个.模拟体系中的冷热流体分别为液态水与燃料油(C19H30),它们各自独立进入螺旋板换热器后,通过金属间壁换热,在壁面处采用流固耦合边界条件来模拟流体与固体壁面间的对流换热以及金属板内的热传导.计算所采用可拆式螺旋板换热器的具体尺寸参数以及边界类型和初始条件分别列于表1和表2. 2 影响因素分析 影响可拆式螺旋板换热器流动与传热性能的既有结构因素,也有操作因素,它们对换热器综合性能的影响不尽相同,一般用传热系数或系统压降的变化来进行评价,但这种单一评价指标并不能真实反映系统整体用能的状况.因此,在兼顾全面性和可操作性的基础上,从传热系数和压降的角度综合考虑,提出一个新的性能系数EK(简称传热-压降性能系数),它表征了消耗相同功量情况下的设备换热状况[10],定义式为: 式中,K为传热系数,单位w/m2·K;Ne为维持换热器内流体流动的泵功,单位w;Δph和Δpc分别为换热器内热冷流体的压降,单位Pa;ωh和ωc分别为换热器内热冷流体的质量流速,单位kg/s;ρh和ρc分别为换热器内热冷流体的密度,单位kg/m3. 2·1 流体流速对换热器性能的影响 图1—图6分别给出了螺旋板换热器几何结构一定时,传热系数、压降以及传热-压降性能系数随流体流速的变化情况. 从图1和图2可以看出,对几何结构一定的可拆式螺旋板换热器来说,改变其中流体的流速,流体流动的雷诺数将发生变化.另外,当油侧和水侧的流速分别增加时,换热器总体传热系数都有所增加,但在相同流速增加幅度范围内,油侧流速的增加对传热系数的影响更为显著:当水流速从1·5m/s增加到3·0m/s后,传热系数从643·37W /m2·K增大到659·47W /m2·K,增加16·1W /m2·K,而油的流速从1·5m/s增大到3·0m/s后,传热系数从734·10W /m2·K增大到972·34W /m2·K,增加238·24W /m2·K.这说明,增加油侧的流速比提高水侧的流速更有利于传热. 对于压降来说(见图3和图4),无论水侧还是油侧,流速增加都会导致换热器阻力的增大,压降近似线性增加,这是通过改变流速强化传热所付出的代价.相对而言,当流速增加幅度相同时,油侧压降增大的幅度要比水侧大得多.当水的流速从1·5m/s增加到3·0m/s后,压降从6768·29Pa增大到26565·17Pa;而当油的流速从1·5m/s增大到3·0m/后,其压降从73686·77Pa增大到155978·90Pa,变化幅度更大,这与油的粘度较大密切相关. 图5和图6给出了传热-压降性能系数随油和水流速的变化情况.从图中可以看出,传热-压降性能系数随着油和水流速的增大均减小,但在流速增加幅度相同时,水流速的增大使得传热-压降性能系数下降地更快:当油的流速从1·5m/s增加到3·0m/s后,传热压降性能系数EK从3·23降低到1·08/m2·K;而当水的流速从1·5m/s增大到3m/s后,传热-压降性能系数从5·98下降到2·74/m2·K.可见如果一味的增加水的流速,水的压降会大大增加,而传热系数增加幅度有限,导致传热-压降性能系数急剧下降,因此通过提高水侧流速强化传热是不经济的. 综上所述,对于几何结构一定的可拆式螺旋板换热器来说,只要将冷热流体流速控制在确保处于湍流状态即可.由于热阻主要来自油侧,因此特殊情况下若强化传热,通过适当提高油侧流速来实现更为经济有效. 2·2 板间距变化对换热器性能的影响 对可拆式螺旋板换热器来说,板间距即螺旋通道宽度是最重要的结构参数之一.图7—图10分别给出了冷热流体流量一定的情况下,板间距d变化时螺旋板换热器的传热系数、压降及传热-压降性能系数EK的变化情况,其它参数均同表1、表2所列. 从图7可以看出,其它条件一定时,随着螺旋板换热器板间距的增大,传热系数降低.原因在于板间距增大后,流体流道横截面积增大,在流量一定的情况下导致流速降低,增大了冷热流体的对流换热热阻,因而总体传热系数减小. 观察图8和图9,不难发现随着板间距的增大,冷热流体的压降都减小.原因在于板间距的增加直接导致流体流速的减小,进而使流体的沿程阻力损失减小.但在板间距增大幅度相同的情况下,油侧压降减小更为显著:当板间距从0·002m增大到0·006m后,油侧压降从130871·00Pa降为9844·74Pa,变化率为92·5%,而水侧压降由15496·73Pa降为2994·16Pa,变化率为80·7%. 图10给出了传热-压降性能系数EK与板间距的关系,从图中可以看出板间距的增加使得传热-压降性能系数提高,这说明板间距对压降的影响比对传热系数的影响更大.综上所述,采用较宽间距流道对换热器综合性能的提高有利,但同时将增加换热面积,提高金属板材消耗量,因此必须综合权衡. 2·3 高度变化对换热器性能的影响 从图11可以看出,当冷热流体的流量一定时,随螺旋板换热器高度的增加,传热系数减小.这是因为流体流量一定时,保持原有流道宽度,换热器高度一旦增大,就意味着流体通道的截面积增大,流体流速会降低,削弱了两侧流体的对流换热,使得传热系数降低.因此从增加换热量角度考虑,单纯增加换热器高度并不能得到满意效果.对于压降来说,从图12和图13可以看出,当冷热流体的流量一定时,随着换热器高度的增加,两侧流体压降均呈指数规律递减.另外从图14可以看出,随着换热器高度的增加,传热-压降性能系数EK增大,说明换热器高度的增加对压降的影响程度更大.因此,在换热器压降要求较高的情况下,适当增加换热器的高度对于降低压降、提高换热器的综合性能是有利的. 2·4 螺旋圈数对换热器性能的影响 图15—图18给出了其它参数不变时,可拆式螺旋板换热器的传热系数、冷热流体的压降以及传热-压降性能系数EK随螺旋圈数n的变化情况. 从图15可以看出,随着圈数增加,传热系数变化不大,这是因为圈数增加后,热流体出口温度降低,冷流体出口温度升高,两侧流体的对数平均温差发生了变化,因此传热系数略有变化.另发现当圈数增大到32圈后,传热系数曲线已趋于水平,这说明当圈数增大到一定程度后,再继续增加圈数对换热来说没有实际意义.从图16和图17中可以看出,随着圈数的增多,两侧流体的压降均显著增大,这是由于随着圈数增多,换热板长度增加的幅度越来越大,流体在通道内的流程加长,沿程阻力损失增大,因而压降增大.另从图18中可以看出,随着圈数的增加,传热-压降性能系数下降较多,因此采用增加圈数的方法来增大换热面积的方式并不合理,可以考虑通过增加高度等其它手段实现. 2·5 接管方式对换热器性能的影响 为考察接管方式对可拆式螺旋板换热器性能的影响,在其它参数一定时,分别摸拟了切向和径向接管工况下的传热系数、压降和传热-压降性能系数EK等指标,具体结果列于表3. 从表3可以看出,采用径向入口后,传热系数下降,油侧压降提高,水侧压降减小,传热-压降性能系数EK减小.这说明,采用径向入口后,除水侧压降略微变优外,其它各指标均趋差.因此从提高可拆式螺旋板换热器整体性能的角度考虑,采用切向入口更为合理. 2·6 流向对换热器性能的影响 在其它参数保持不变时,分别采用油中水侧、油侧水中、油中水中、油侧水侧四种流向,其中前两者为逆流,后两者为顺流,各种流向下的传热系数、压降和传热-压降性能系数EK的数值如表4所示. 从表4可以看出,逆流方式下可拆式螺旋板换热器的传热系数相对较大,压降较小,性能系数EK较大,特别是采用油侧水中这种进口方式,传热系数和传热-压降性能系数均为最大,说明单纯从传热与流阻角度考虑采用这种进口方式的螺旋板换热器设计更为合理.采用顺流方式后,换热效果明显变差,传热系数下降10%左右,传热-压降性能系数EK最大降幅达15%.因此实际换热器设计中,为强化传热效果,应尽量采用逆流方式流动,同时还必须考虑到螺旋板的稳定性问题,应力求使外圈螺旋板承受较小的压差,内侧螺旋板承受较大压差.常规采用的油中水侧布置就是兼顾了流阻、传热和稳定性的一种方式. 3 结论 流体的流速、流向、流动状态以及换热器的结构参数如高度、流道间距、接管形式等是可拆式螺旋板换热器设计和运行过程的重要参数,本文借助数值模拟方法分析了它们对换热器传热系数、压降以及传热-压降性能系数EK等的影响. (1)根据可拆式螺旋板换热器湍流流动、传热的特点,建立了由连续性方程、动量方程、RNGk-ε双方程以及能量守恒方程共同构成的封闭数学模型; (2)对于几何结构一定的可拆式螺旋板换热器来说,流量增加会使传热系数增大、传热-压降压降增大、性能系数减小,但相比之下,增加油侧的流速比提高水侧的流速更有利于传热且综合性能系数降低不大,因此适当提高油侧流速来实现强化传热更为经济高效; (3)流量一定情况下,一般换热器高度或板间距增大,都会使传热系数和压降减小、传热-压降性能系数提高,但螺旋板圈数增加却会使传热系数、压降、传热-压降性能系数均有不同程度的劣化,同时金属板材消耗量增大,经济性降低.因此,为保证一定传热面积,应尽量通过增加换热器高度来实现; (4)切向接管和逆流流动,对强化传热和减小压降有利,综合性能更好.且建议热流体从中心进入,可降低设备刚度失效的风险. 参考文献 [1] 秦叔经,叶文邦.换热器[M].北京:化学工业出版社, 2003 [2] 钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2002 [3] 周帼彦,涂善东.换热技术从大型化向微小化的发展[J].热能动力工程, 2005, 20(5): 447-454 [4] 王新祥.探讨螺旋板换热器的传热计算[J].化学工业与工程, 2002, 19(4): 316-319; 334 [5] Thbes,RoetzelW. Thermal theory of the spiral heat exchanger[J]. International Journal ofHeat andMass Transfer,1993, 36(3): 765-773 [6] Chuodhury D. Introduction to the renormalization group method and turbulence modeling[M]. Fluent Inc. TechnicalMemorandum TM-107, 1993 [7] 陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交通大学出版社, 2002 [8] Pakantar S V, Spalding D B. 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