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船用螺旋隔板换热器的实验与数值模拟点击：2135 日期：[ 2014-04-26 21:57:40 ] |
| 船用螺旋隔板换热器的实验与数值模拟 刘晓红,徐 涛 (广州航海高等专科学校轮机系,广东广州510725) 摘 要：以螺旋隔板换热器作船用润滑油冷却器,冷却水和润滑油分别在管程和壳程呈逆流流动,对船用螺旋隔板三维翅片管换热器的传热与压降性能进行了实验研究,结果表明在壳程雷诺数相同条件下,三维翅片管的壳程努塞尔特准数是光滑管的2. 1~2. 8倍,而压降约为光滑管的2. 2倍.同时,利用Fluent6. 3软件对船用螺旋隔板三维翅片管和光滑管换热器的传热与压降性能进行数值模拟,结果表明螺旋流条件下三维翅片管与光滑管相比,具有更大的强化对流传热作用.对于船用螺旋隔板三维翅片管换热器,壳程努塞尔特准数和压降的数值模拟结果与实验计算值吻合良好,最大偏差分别为6. 6%和10%. 关键词：螺旋隔板;数值模拟;换热器 中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1009-8526(2010)01-0005-04 能源是国民经济的基础,是综合国力的有机组成部分,也是经济社会全面、协调可持续发展的一个重要的制约因素.换热器在国民经济和工业生成领域中对产品质量、能量利用率以及系统的经济性起着举足轻重的作用.壳管式换热器广泛应用于化工、制冷、动力及能源等领域,是量大面广的热能交换设备.螺旋隔板换热器是一种新型壳管式换热器结构,流体动力学研究表明[1],壳程流体类似于塞状流,流动均匀,几乎没有反混和流动死区.在相同的壳程压降下,螺旋隔板换热器的传热系数比普通弓型隔板换热器明显提高[2-3],若将螺旋隔板与强化管搭配则能进一步提高换热器的传热性能[4].目前船用换热器主要有管壳式换热器、板式换热器.其中船用润滑油冷却器、淡水冷却器、空气冷却器、大气冷凝器、空气加热器等主要采用管壳式换热器比较多.目前对船用换热器的研究较少,制造和使用中的船舶主要都是安装一些普通的换热器,换热效果相对较低,运行成本较高.因此研制高效能、低成本的船用换热器具有非常重要的意义,它能大大降低换热器的运行成本,节省能源.文中以螺旋隔板换热器作为船用润滑油冷却器进行传热与压降性能实验研究,同时借助数值模拟方法对螺旋流条件下三维翅片强化传热机理进行研究,更全面地了解螺旋流条件下三维翅片表面流体流动与传热特性. 1 实验方法 实验装置系统如图1所示.该系统主要由船用螺旋隔板换热器、润滑油箱、水箱和测量系统组成.来自水箱的冷却水在船用螺旋隔板换热器管程流动,在油箱中被加热到设定温度的润滑油由油泵送到船用螺旋隔板换热器的壳程流动,管程的冷却水与壳程的润滑油呈逆流换热.用与电脑连接的温度数据采集仪记录冷却水和润滑油的温度,用玻璃转子流量计测冷却水的流量,用椭圆齿轮流量计及秒表测润滑油流量,用U型压差计测壳程的进出口压差,用恒温控制装置调控油箱内的油温.本实验所采用的测量仪器都是经过校正的,精度可以满足实验要求.先将光滑管加工成螺旋槽管,再加工三维翅片,隔板在管外沿螺旋沟槽缠绕,这样便于固定螺旋隔板.将缠绕螺旋隔板的三维翅片管和光滑管分别套入内径为28mm的圆管内构成螺旋隔板换热器,隔板间距为17.8mm,螺旋隔板厚度为1. 2mm,螺旋角约39°,传热管有效长度为571mm.三维翅片管由16×1. 6mm的光滑管进行加工,结构参数见表1.作为传热性能对比的光滑管,参数也为16×1.6mm. 2 实验数据处理 本实验是采用间接方法计算壳程传热系数.因为实验过程中直接测量壁温较困难,且传热管内还有螺旋凸肋,经典的Dittus-Boelter关系式不能应用,所以采用修正的威尔逊方法回归出管内水的对流传热系数,再计算出管外对流传热系数[5].本文的实验研究重点是获得船用螺旋隔板换热器壳程的传热系数关系式,壳程传热系数a0由以下公式计算： 式中K0是基于光滑管外表面积为基准的总传热系数,Ai为管内表面积,A0为光滑管的外表面积,R为管壁热阻.ai是管内对流传热系数.壳程努塞尔特准数Nuo,可用如下式表示： 式(2)中,dh为壳程流道的当量直径,λ为润滑油的导热系数. 将实验测得数据进行能量平衡计算,得到水侧和油侧的能量平衡偏差均小于2. 2%,这证实了实验系统的可靠性. 3 实验结果分析 实验结果如图2、图3所示. 图2为三维翅片管与光滑管的壳程传热性能比较,图3为三维翅片管与光滑管的壳程压降比较.从两图中可以看出,随着壳程润滑油雷诺数的增大,壳程的努塞尔特准数和压降也随之提高.在相同壳程雷诺数条件下,三维翅片管的努塞尔特准数是光滑管的2. 1~2. 8倍,这说明船用螺旋隔板换热器中,润滑油与三维翅片作螺旋剪切运动,激发了流体湍动,促进边界层的分离,从而强化润滑油流体的对流传热性能;而三维翅片管的压降则是光滑管的2. 2倍左右,这是由三维翅片的存在造成形体阻力增加.综合比较传热和流阻性能,三维翅片管螺旋隔板换热器明显优于光滑管螺旋隔板换热器.根据KlineandMcClitock[6]的误差传递公式计算出船用螺旋隔板换热器的壳程努塞尔特准数最大误差约为4. 2%,压降误差约为±0. 18kPa. 4 数值模拟结果分析 计算流体力学软件Fluent具有多种优化的物理模型,包括模拟层流、紊流;不可压缩和可压缩流动;传热;化学反应等,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度方面达到最佳.它是换热器的流动与传热性能数值模拟的常用软件. Fluent软件的数值模拟过程主要包括采用软件包GAMBIT前处理软件建立物理模型及划分网格;将生成的mesh文件导入Fluent求解器中,进行初始条件、边界条件、物性参数及松弛因子的设定,确定CFD方法的控制方程,选择合理的离散方法和数值计算方法进行数值模拟;将数值模拟结果进行后处理,获取流场、温度场及其他参数的可视化数据.本文研究过程中,将壳程和管程出口边界条件设定为压力出口,需要设定的参数是流体温度、出口当量直径、紊流强度,内外管壁采用耦合求解对流与热传导的热量交换,壳体壁面和隔板采用不可渗透、无滑移绝热边界,选择k-epsilon RNG流体模型和Simple数值计算方法. 图4为Y-Z直角坐标体系内管程和壳程的速度矢量图,对于光滑管船用螺旋隔板换热器,其坐标参数为:X=0mm, Z=255~290mm;对于三维翅片管船用螺旋隔板换热器,其坐标参数为:X=0mm, Z=261~296mm.管程雷诺准数=24500,壳程雷诺准数=2250.从图中可以看出,光滑管和三维翅片管船用螺旋隔板换热器内,管程内的冷却水为完全紊流,速度矢量非常混乱;壳程内的润滑油在光滑管表面的速度矢量比较均匀稳定,而对于三维翅片管,由于翅片激发流体产生扰动,速度矢量受翅片干扰形成涡旋和二次流,变得极不规则,从而强化了流体的对流传热,但同时也导致流体流动压降增加. 图 4 壳程和管程的速度矢量图 图5和图6分别是船用螺旋隔板三维翅片管换热器壳程努塞尔特准数和压降的实验值与模拟值对比.从两图中可以看出,数值模拟值与实验值吻合得较好,其最大偏差分别为6. 6%和10%,均在合理偏差范围内;而且数值模拟值均高于实验的计算值,这主要是因为数值模拟过程中没有考虑换热器的散热损失和船用螺旋隔板产生旁路流和泄漏流的影响,而在实际过程中是难以避免的. 5 结论 通过大量的实验和数值模拟研究,可以得出如下结论: (1)在相同壳程雷诺数下,船用螺旋隔板三维翅片管换热器的壳程努塞尔特准数是光滑管换热器的2. 1-2. 8倍,而压降则是2. 2倍左右,证明三维翅片管能显著地强化油流体的对流传热. (2)Flu-ent6. 3软件的数值模拟结果表明,船用螺旋隔板光滑管换热器壳程速度场均匀稳定,而船用螺旋隔板三维翅片管换热器的壳程由于翅片的扰动导致速度场不规则,形成了涡旋和二次流,从而强化了润滑油的对流传热. (3)船用螺旋隔板三维翅片管换热器的壳程努塞尔特准数和压降的数值模拟值与实验计算值吻合良好,证明模拟方法可靠. 参考文献：略 |
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