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纵向多螺旋流管壳式换热器的数值模拟与优化

点击:1968 日期:[ 2014-04-26 21:53:59 ]
                          纵向多螺旋流管壳式换热器的数值模拟与优化                                        谢洪虎 江楠                                (华南理工大学化工机械研究所)     摘要:利用Fluent软件,对插入不同开孔尺寸螺旋扭片的纵向多螺旋流管壳式换热器的壳程流体湍流流动和换热进行了三维数值模拟。结果表明,壳程流体的流动形式与螺旋扭片的螺旋结构很相似,是分成若干流束分别沿着不同的螺旋扭片流动,这样可以提高壳程流体的湍动强度, 从而有效地减薄壁面层流底层的厚度,有利于强化传热。对相同尺寸参数的换热器进行试验研究, 并与模拟结果进行对比,得出如下结论:当螺旋扭片尺寸为L=100 mm、do=8 mm时,纵向多螺 旋流管壳式换热器具有最好的强化传热性能;模拟结果与试验结果误差在±12%以内。     关键词:螺旋扭片 纵向多螺旋流 管壳式换热器 三维数值模拟湍流 传热     0 引 言     近年来,数值模拟研究方法为经济和安全地设计、评价及改造换热器提供了强有力的手段[1]。特别是在设计、研究、评估新型高效能、低能耗、低成本的换热设备方面,有着很大的优势。早在1974年,就有人提出应用计算流体力学方法模拟管壳式 换热器无相变壳程流场,但由于条件限制,研究进展缓慢[2]。20世纪80年代以来, Patankar and Spal- ding[3-4]、Sha[5]等学者在换热器数值模拟研究方面做了很多工作,之后换热器数值模拟研究才有了较快的发展。对于换热器数值模拟,采用二维研究的 较多[6]。在三维研究方面,尤其是在复杂结构的管壳式换热器换热性能数值模拟研究方面,国外学者 较多地模拟研究了复杂结构的换热管或管程内插物 对换热器换热性能的影响,如螺旋槽管、波纹管、内插螺旋扭带等。但是,很少有人用数值模拟的方法去研究插入物插入管壳式换热器壳程而不是管程时,其对换热器综合换热性能的影响。     笔者研究的纵向多螺旋流管壳式换热器就是在普通管壳式换热器壳程换热管之间插入螺旋扭片, 这样可以有效地改变壳程流体的流动形式,使壳程流体产生多股自螺旋流的复杂流动形态[7],有效提高换热管束壁面的流体速度,实现不同壳体半径处流体的充分混合,从而达到强化传热的目的。利用FLUENT软件,对这种换热器的壳程湍流流动及换热进行三维数值模拟。对模拟结果进行分析,找出在螺旋扭片节距L一定的条件下,螺旋扭片的开孔直径do取何值时,对换热器强化传热的影响效果最佳。      1 模拟模型     模拟采用的换热器为单管程、单壳程和螺旋扭片结构。换热器以正方形布管,图1为螺旋扭片的 Pro/E三维立体示意图,其中,L为螺旋扭片节距, do为螺旋扭片上的开孔直径。图2为换热管与螺旋扭片之间定位关系示意图。                           由于纵向多螺旋流管壳式换热器的壳程结构比较复杂,采用四面体网格划分,管程采用六面体网格划分。此模型中边界类型有进口、出口、管壁和壳壁4种[8-9]。建立模拟模型的数学形式时,主要考虑设置管程、壳程内流体满足控制守恒的连续性方程、质量方程、动量方程以及能量方程等。因壳程流体处于湍流状态,进一步设置湍流κ-ε模型。相关设置完成后,进行迭代计算。每次迭代210次 左右时,计算收敛,进行其残差曲线的分析。     2 数值模拟结果的分析及讨论     模拟研究的纵向多螺旋流管壳式换热器壳程筒体内径109mm,换热管为19mm×2mm的无缝钢 管,长1 200mm,共12根,以正方形排布。管间插入的螺旋扭片共有4组,节距L固定为100 mm,开 孔直径do分别为0、4、6和8 mm。加上没有插入任何螺旋扭片的光管管壳式换热器作为模拟结果的对比,共5组。模拟时壳程为热流体,进口温度为 60℃,管程为冷流体,进口温度为20℃(冷热流体均采用工业自来水)。管程流体流量恒定为8 m3/ h,壳程流体流量开始为5 m3/h,然后以1 m3/h的梯度增加,直到11 m3/h,共得到35组模拟结果。以下是以L=100mm,do=6 mm的螺旋扭片作为管间插入物的纵向多螺旋流管壳式换热器,在壳程流体流量为8m3/h时模拟得到的结果。     2·1 温度场矢量图     图3a为换热器轴向截面局部温度场分布图, 图3b为z=600mm处的径向截面局部温度场分布图。由图可看出,从壳程到管程,温度依次降低, 存在着温度梯度。管程温度变化规律:越靠近换热器管壁温度越高,换热管中心处的流体温度最低。换热管外壁面温度比内壁面高,这是因为壳程走热流体,管程走冷流体。但是,由于换热管壁很薄, 只有2 mm,所以,换热管内外壁温差不是很大。壳程流体温度变化趋势:越靠近换热管壁,温度越低,壳程流体温度变化比较明显。                             2·2 速度场矢量图     图4为轴向截面局部速度场分布图,图4b是 图4a的局部放大图。由图可以看出,壳程流体在沿轴线方向流动的同时,由于受到螺旋扭片的绕流作用,流体的流向和流速都在不断地变化,并且螺旋扭片的螺旋形结构使壳程流体出现附加螺旋形流动[10]。这种流动的出现可以提高壳程流体的湍动 强度,从而有效地减薄壁面层流底层的厚度,有利于强化传热。                             2·3 轴线方向流体质点迹线图     图5为壳程流体沿轴线方向流动时流体质点的迹线图。由图5a可以看出,流体在轴向流动的同时,还存在附加螺旋流动。螺旋流动的形式和螺旋扭片的螺旋结构很相似,这是由于螺旋扭片具有螺旋流导向作用,壳程流体沿螺旋扭片的表面流动。由图5b可以看出,壳程流体并不是作为一个整体 进行螺旋流动,而是分成不同的流束,分别沿着不同的螺旋扭片流动。这证明了模拟得到的壳程流体速度场的正确性。                             2·4 XY曲线图     (1)温度分布图 XY曲线可以用来描述利用 CFD求解的结果,例如温度、压力沿直线上的分布等。图6为温度分布图,图6a为壳程流体沿轴向温度变化图,图6b是管程流体沿轴向的温度变 化趋势图。图中壳程热流体进,出口位置分别在z =0 mm处和z= 1 200 mm。壳程热流体沿着换热 器轴向0~1 200 mm内,其温度在不断下降。由于管、壳程流体采用逆流流动形式进行热量交换,管程冷流体的进、出口位置分别为z=1 200 mm和z =0 mm,冷流体沿换热器轴向1 200~0 mm内, 其温度在不断上升,模拟结果与实际吻合。                             (2)壳程流体沿轴线方向压降分布图      图7为纵向多螺旋流管壳式换热器壳程流体沿轴向压降分布。由图可以看出,壳程流体沿轴线方向的压降具有周期性,压降趋势线由12个小线段构成。而螺旋扭片总长为1 200 mm,螺旋节距L=100 mm, 所以螺旋扭片的节距个数为12,二者吻合。壳程流体沿轴向上的压降变化主要是由于扭片的螺旋形 结构引起流体的附加螺旋形流动所致,附加螺旋流动使壳程流体沿螺旋扭片表面进行高速流动,流动方向不断改变,湍流强度加剧,边界层分离作用增强,导致了轴向上的压降。当以壳程流体流量为8 m3/h进行模拟时,模拟得到的壳程流体的压降约为300 Pa,试验得到的压降为343 Pa,二者误差约为12%。                              3 试验结果与模拟结果的比较     试验研究用换热器与模拟研究用换热器尺寸参数相同,试验采集的数据包括壳程流体流量、进出口压力、温度及管程流体流量和进出口温度等。采用的仪器有精度等级为±0·2%温度传感器Pt100、压力传感器以及流量传感器等。 图8为数值模拟和试验研究得到的壳程传热膜系数h对比图。由图可以看出,L=100 mm、do= 8 mm的螺旋扭片对管壳式换热器的强化传热效果最好,其后依次为L=100 mm、do=0,L=100 mm、do=6mm和L=100mm、do=4mm的螺旋扭片,效果最差的是没有插入任何螺旋扭片的光管管 壳式换热器。模拟研究得到的5组结果与试验研究得到的结果一致,误差都在±12%以内。这表明螺旋扭片的插入确实能起到强化传热的作用。                            4 结 论     利用Fluent软件,对插入不同开孔尺寸螺旋扭片的纵向多螺旋流管壳式换热器的壳程流体湍流流动和换热进行了三维数值模拟,并对相同尺寸参数 的换热器进行试验研究,得出如下结论:     (1)壳程流体的流动形式与螺旋扭片的螺旋结 构很相似,是分成若干流束分别沿着不同的螺旋扭片流动,这样可以提高壳程流体的湍动强度,从而 有效地减薄壁面层流底层的厚度,有利于强化传热;     (2)当螺旋扭片尺寸为L=100 mm、do=8 mm时,纵向多螺旋流管壳式换热器具有最好的强 化传热性能;     (3)模拟结果与试验结果接近,误差在± 12%以内。     参 考 文 献     [1] 陶文铨·数值计算传热学[M]·西安:西安交通 大学出版社, 1990: 27-88·     [2] PatankarSV, SpaldingD B·Heat exchanger design th- eory source book [M]·New York: MCGRAW -HILL Book Company, 1974·     [3] Patankar S V, Spalding D B·A calculation procedure for the transient and steady-state behavior of shell and tube heat exchanger [M]∥In heat exchangers desig- n theory source book·Washington, D·C: MCGRAW2- HILL Book Company, 1974: 155·     [4] Patankar S V, Spalding D B·Computer analysis of the three dimensional flow and heat transfer in a stream gen- erator [J]·Forsch IngWes, 1978 (44): 47-52·     [5] ShaW T·Multidimensional numericalmodeling of hea exchangers [ J]·Journal of Heat Transfer, 1982, 104: 417-425·     [6] 黄兴华·管壳式换热器壳侧单相和两相流动的数值 模拟和实验研究[D]·西安:西安交通大学, 1998·     [7] 杨传健·纵向多螺旋流管壳式换热器的实验研究 [D]·广州:华南理工大学, 2007·     [8] 刘利平,黄万年·FLUENT软件模拟管壳式换热器 壳程三维流场[ J]·化工装备技术, 2006 (3): 201-306·     [9] 韩占忠,王 敬·FLUENT流体工程仿真计算实例 与应用[M]·北京:北京理工大学出版社, 2004: 221-228·     [10] 崔海亭,彭培英·强化传热新技术及其应用[M]· 北京:化学工业出版社, 2006: 24-127· 
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