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钉头管自支承式换热器的耦合传热及流场数值模拟研究点击：1755 日期：[ 2014-04-26 21:53:58 ] |
| 钉头管自支承式换热器的耦合传热及流场数值模拟研究 刘娇洋,江 楠 (华南理工大学化工机械研究所,广东广州 510640) 摘 要：对钉头管自支承式换热器的结构进行合理简化,建立数值模型,用FLUENT软件对其温度场和流场进行数值模拟,分析比较了钉头管自支承式换热器对空气、水、润滑油3种介质的强化传热效果。结果表明钉头管自支承式换热器对粘度较小的空气介质效果更明显,其强化传热系数可达光管结构的1. 7倍左右,压降为光管结构的1. 04~1. 08倍。 关键词：自支承式换热器;钉头管;强化传热;数值模拟;流场分析 中图分类号：TQ051. 5;TQ050. 2 文献标识码：A 文章编号：1001-4837(2010)06-0028-05 1 引言 近年来,由于对节能环保的重视,换热技术获得了迅速发展。对流强化传热一直是换热器研究的重点,管壳式换热器作为使用较为普遍的一种换热器形式,其关于壳程强化传热技术的研究主要集中在换热管外表面结构和管束间支撑装置结构两个方面。钉头管自支承式换热器[1]是由钉头管-光管混合布置而成,同折流板、折流杆、螺纹管、翅片管等换热器结构相比,它将壳程强化传热研究的两个方面有机地结合起来,既利用管外表面结构的变化强化了壳程传热,又达到壳程管束间相互支撑的目的,不再需要设置专门的管束支承装置。 随着计算机技术的迅速发展,从20世纪60年代末期以来,传热问题的数值解法很快发展成为解决实际问题的一种重要工具,而计算流体动力学(CFD)正是建立在经典流体动力学和数值计算方法基础上的一门新型独立学科,为研究换热器性能提供了一种新手段。目前国内外许多学者主要采用多孔介质模型[2]和几何简化模型[3]来模拟计算换热器的流动。针对钉头自支承式换热器试验装置,对壳程结构和流体流动状况进行合理简化,建立了符合钉头自支承结构的数值模型。同时利用所建立的模型结构,模拟分析了钉头自支承式换热器壳程流场的详细特点和对不同介质强化传热的效果,对钉头管自支承式换热器结构的应用前景进行了合理的分析预测。 2 模型的建立及求解 2. 1 数值模型 换热器体积庞大,部件繁多、复杂,难以实现整体结构的数值模拟,而且文中研究的钉头管自支撑式换热器因为钉头结构的存在而使壳程空间复杂。因此将换热器模型整体缩小并进行相应简化处理:根据钉头自支承换热器壳程结构布置(见图1),选取10根管正三角形排布方式建立换热器计算模型,尺寸见表1。考虑到计算网格,换热器有效长度取1200 mm;壳程忽略壳壁厚度和导流筒结构,进出口只建立一定长度的接管,管程忽略管箱管板结构,通过施加适当边界条件来实现这些结构对管壳程流体区域的影响,忽略管壳程仪表检测装置。 2. 2 边界条件和数值解法 对3种介质的强化传热效果进行数值模拟,换热器模型以三维坐标轴原点为中心对称布置,管壳程流体逆流方式传热,流速沿Z轴方向,采用速度进口、压力出口边界条件,管壁及钉头等固体表面采用无滑移边界条件。3种介质模拟工况分别为: (1)壳程空气,管程水蒸气,蒸汽不冷凝;(2)壳程水,管程水; (3)壳程润滑油,管程水。每种工况管程流速保持不变,通过改变壳程流速来研究两种结构壳程传热系数的变化规律。为了简化计算过程,此处将各材料的物性参数定为常数,关于确定物性参数的定性温度,依照经验进行初步模拟,由模拟得出的进出口温度值来估算,不同流速通过不断调整进口温度使工况的定性温度基本保持不变。 换热器内单相不可压缩流体的流动和传热满足质量、动量和能量控制方程。文中管程流体处于湍流运动状态,同时钉头管造成壳程流动错综2. 2 边界条件和数值解法对3种介质的强化传热效果进行数值模拟,换热器模型以三维坐标轴原点为中心对称布置,管壳程流体逆流方式传热,流速沿Z轴方向,采用速度进口、压力出口边界条件,管壁及钉头等固体表面采用无滑移边界条件。3种介质模拟工况分别为: (1)壳程空气,管程水蒸气,蒸汽不冷凝;(2)壳程水,管程水; (3)壳程润滑油,管程水。每种工况管程流速保持不变,通过改变壳程流速来研究两种结构壳程传热系数的变化规律。为了简化计算过程,此处将各材料的物性参数定为常数,关于确定物性参数的定性温度,依照经验进行初步模拟,由模拟得出的进出口温度值来估算,不同流速通过不断调整进口温度使工况的定性温度基本保持不变。 换热器内单相不可压缩流体的流动和传热满足质量、动量和能量控制方程。文中管程流体处于湍流运动状态,同时钉头管造成壳程流动错综传热的原因。 3. 1 温度场 为表现钉头管结构对温度场分布的影响,图2示出35mm间距混合管束结构Z=600mm和Z=635 mm位置处两相邻钉头截面管壳程的温度分布。可以看出,和壳壁边界层相比,钉头结构的存在不仅增加了传热面积,同时加剧了流体之间的混合,传热效果更佳,同时由壳壁周边温度分布可知,离钉头结构近的区域温度存在较大的波动,由此可见,钉头结构的强化传热效果在近管壁区域最佳。 3. 2 速度场 图3, 4示出X=0,Y=11 mm纵截面上的一段壳程速度分布图,分别从钉头的轴向和周向展现了钉头周边流体速度矢量图。 可以看出,流体与钉头碰撞,流动方法发生改变,部分流体沿钉头轴向运动,与壳程轴向主流交错,增强了壳程区域流体的扰动,部分流体沿钉头周向绕流,两种流体都使得管壁外边界层区流体重新分布,同时滞流边界层减薄。对流传热的热阻主要集中在滞流内层,减薄滞流内层的厚度是强化传热的主要途径,这正是钉头管结构强化传热的主要原因。 图5示出Z=600 mm横截面上壳程速度分布图,可以看出,钉头结构的存在使流体流动截面减小,管束周边区域流速增大,整个横截面内流体重新分布。增大流速,提高壳程湍动度是增大传热系数的一个有效手段,由此分析可知,钉头结构的存在也可以提高整个壳程区域的湍动度,使壳程传热得到强化。图6, 7示出光管和35 mm间距混合管结构的壳程湍动强度。可以看出,钉头管结构换热器的湍动强度大于光管结构,尤其是钉头结构造成周边区域湍动强烈,约为光管结构湍动强度的2倍,这进一步解释了钉头管结构强化传热的原因。 3. 3 压力场 文中计算的流速范围内空气介质压降变化比较小,且壳程进出口处压降变化很大,为了更好地观察钉头结构处压降的变化,图8示出截取的2种结构换热器中X=0截面上的一段压降分布图进行对比,可以看出,钉头迎风面压力增大,背风面压力减小,钉头结构的压降大于光管结构。流体流动阻力的大小和流体本身的物理性质、流动状况以及流动的空间有关,钉头结构的存在使得流体流动截面突然缩小。同时由前面速度分布图可以看出,流体碰撞钉头时,流速方法发生改变,流体的流动状况发生变化,这正是导致钉头管束结构压降增大的2个主要原因。 4 模拟结果分析对比 图9~11示出了空气、水、润滑油3种介质的壳程传热系数与雷诺数的对比图。关于钉头管自支撑式换热器方面的研究很少,目前没有比较适用的壳程传热系数计算公式,为了验证本文数值模拟的准确性,此处采用光管结构壳程经验公式的计算值进行对比。由于光管结构管外流体沿管束平行流动,其壳程传热系数仍用管内强制对流的经验公式进行计算[5]: 鉴于公式的适用范围,此处仅对空气、水2种介质的壳程传热系数进行对比。其中管内径用壳程当量直径替代。可以看出,光管结构模拟得出的壳程传热系数和经验公式计算出的结果非常接近,其误差在15%以内,说明了计算模型的选择较为合理。由图9~11可知,随着壳程流体流速的增大,换热器的壳侧传热系数逐渐增大。在相同进口流速下,对空气介质来说,钉头管自支撑式换热器壳侧平均传热系数为光管壳侧传热系数的1.665~1. 739倍,对水介质为1. 062~1. 251倍,对润滑油介质为1. 058~1. 247倍。 图12~14示出了3种介质单位压降传热系数与雷诺数的对比图。 可以看出,对比钉头管和光管两种结构,空气介质壳程单位压降传热系数的增率56.7%~68.7%,水为6. 2% ~25. 1%,而润滑油则为-1% ~0. 7%。随着粘度的增大,钉头管结构强化传热的综合效果逐渐减弱,可知钉头管对粘度较小的流体强化传热效果更佳。 5 结论 (1)利用数值模拟方法分析了钉头管自支承式换热器的适用工况,并通过和理论数据对比验证了其合理性,同时也证明了数值模拟方法在换热器数值模拟的可行性。 (2)模拟得到钉头管自支撑式换热器的温度、速度和压降分布图。由模拟结果可知,当流体掠过钉头管时,在流道中钉头沿水平和垂直方向连续剪切和分割主流流动,流体流动方向发生明显改变,流体速度重新分布,并且流体的连续性和稳定性遭到破坏,同时由于钉头所在横截面的流通面积突然减小以及钉头的扰流作用,在垂直于钉头的截面内流体速度明显增大。这种扰动使得湍流强度显著提高,有效地减薄边界层尤其是粘性底层的厚度,使传热效果增强,从而增大壳程传热膜系数。同时钉头结构的存在也使得壳程压降有所增加。 (3)对空气、水、润滑油3种介质的传热效果进行模拟表明,钉头管对不同介质的强化传热效果不同。同光管结构相比,壳程传热系数增至1~1. 7倍不等,其中空气介质壳程单位压降传热系数的增率为56. 7% ~68. 7%,水为6. 2% ~25. 1%,而润滑油则为-1% ~0. 7%,可见随着粘度的增大,强化传热的综合效果连接,同时又要求在较高温度下服役的锆材换热器为例,在产品制造前进行了接头胀接工艺的试验与评定,获得了合理的胀接参数,使产品顺利试制成功。 参考文献：略 |
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