换热器的设计
壳管式换热器
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针翅管换热器数值模拟及其针翅优化点击：1827 日期：[ 2014-04-26 21:57:43 ] |
| 针翅管换热器数值模拟及其针翅优化 张延静 江楠 (华南理工大学化工机械与安全工程研究所) 摘要：为了提高针翅管的传热效果,对针翅的长度、直径、间距和倾角等参数进行最优组合,对针翅结构进行优化设计。采用正交设计方法,分别模拟9组针翅管的压降及传热性能,流体介质为水-柴油,物性参数为等效温度下的常量。结果表明,针翅管有较大的扩展表面,且针翅对流体有扰动作用,能大幅度地提高外传热膜系数;在所选针翅传热性能的4个影响因素中,针翅纵向间距是最敏感的。最后从理论上指出下一步强化传热的发展趋势,即改变纵向间距或改变针翅间的倾斜角度。 关键词：针翅换热器 正交设计 强化传热 优化 0 引 言 近年来,国内在石化换热设备强化传热方面,虽然对油品的换热采用了低翅片螺纹管,扩大了传热面积,但强化传热仍然有限,对结垢和结焦难题仍没有很好地解决。针翅管能够强化传热,在运行中积垢较少,且耐腐蚀,特别是高粘度介质对其污染程度轻。正因为如此,针翅管可解决高粘度流体结垢和结焦问题以及高温腐蚀性烟尘气的积灰问题,具有其他强化传热管无可比拟的优越性。我国哈尔滨锅炉厂生产的配“齐鲁150 T/h”D型炉渣油加热采用太阳棒针翅管结构,有效地解决了强化传热和防止污垢等问题。华南理工大学化工机械与安全工程研究所对此进行了多年的研究,并与中国石化集团公司北京设计院合作,对针翅管传热效果及流体力学性能、结构优化等方面进行了研究[1],研制出斜针翅高效传热元件。该元件对管外是高粘度油品传热的管壳式换热器强化效果显著[2]。增大针翅长度、减少针翅间距,可以增大翅化系数,从而增强传热。但随着针翅长度的增加,导热热阻也随之增大,针翅效率则逐渐降低,压降增大,管束直径也增大。当针翅长度增大到一定程度时,翅片的导热热阻和金属耗量会大到足以抵消由于传热面积增加所带来的收益时,进一步增大针翅长度对强化传热就没有任何意义了,这就存在一个最佳长度的选择。另外,对于一定的毕渥数Bi,针翅直径的增大,间距的减小,可以增加传热量但是针翅间距的减小又限制了针翅直径的变化范围[3]。因此,要想得到较好的传热效果,必须对针翅的长度、直径、间距、倾角等参数进行最优组合,对针翅结构进行优化设计。 1 数学模型建立与边界条件 1·1 优化目标函数的确定 笔者建立的针翅管模型如图1所示。 寻找针翅管表面的最佳几何参数,使单位传热量的换热器体积最小。若忽略管壁及污垢热阻,则针翅管的传热热阻为[4]: 当φ值最小时,V/S也是最小值,式(3)或(4)即为单位温差传热量所需换热器体积最小时的目标函数。在针翅管基管直径d0给定的情况下,式(3)中的独立变量可表示为: φ=φ(l,d,nt, s,αi,αo) (5) 针翅管内侧传热膜系数αi值与扩展表面的几何参数及流动条件无关,可作常数处理,而针翅管外侧传热膜系数αo值取决于扩展表面的几何参数和流动条件。笔者在设计针翅管时,考虑l、s、nt、d4个因素,且各取3个水平,同时考虑其相互约束,得因素与水平参数,如表1所示。 1·2 流体物性及边界条件 笔者采用正交设计方法,分别模拟9组针翅管的压降及传热性能。流体介质为水-柴油,柴油走壳程,热水走管程,物性参数为等效温度下的常量;管程流体和壳程流体采用逆流形式换热;试验中,壳程流体Re<2 300,其流动为层流,设定粘性模型为层流模型;而管程流体Re>10 000,为旺盛湍流,设定粘性模型为标准κ-ε模型。管程和壳程进口温度分别设为343·55、307·85 K[5];由于针翅管套管换热器的壳程结构比较复杂,采用四面体网格划分。模型中边界类型有4种:进口、出口、管壁和壳壁与实体(传热壁和钉头)[6]。针翅管套管换热器管程和壳程流体的热传递和流动必须满足基本控制方程,即能量方程、质量守恒方程、动量方程。内外管壁采用隐式分离求解对流与热传导的热量交换;壳体壁面采用不可渗透、无滑移绝热边界。根据正交表[7],共设计9种管型,各管型几何参数见表2。 2 数值模拟和正交设计结果分析 2·1 温度场矢量图 图2a是针翅管换热器截面温度矢量图(Z=400 mm)。从图可以看出,管程的平均温度约345K,壳程的平均温度约309 K,针翅周围温度明显呈梯度分布,温度最低处约312 K,这是壳程流体与钉头的热交换所致;传热管壁的温度大约为334K,壳程有钉头的部位温度比壳程其他部位偏高;而管程内靠近管壁面的部位温度稍低。 从图2b可以看出,传热管外壁的温度大约为334 K,在有针翅的部位温度比壁面其他部位高;针翅周围温度明显呈梯度分布,温度最低处约313K,最高处约为334 K,壳程流体与针翅存在热交换现象。 2·2 壳程静压损失与静压力分布 图3为壳程静压分布与流体静压损失图。其中图3a为壳程流体从进口(Z=100 mm)到出口(Z=800mm)的静压力分布图。由图可以看出,从进口到出口,壳程流体压降变化是有规律的,在Z=100~800mm,压降呈阶梯状变化,这是因为此段有针翅的分布,总的壳程压降变化约为160 Pa。图3为与之对应的换热器壳程流体静压损失图,其压降变化趋势与图3a较接近,呈阶梯状分布。 2·3 轴线方向流体质点迹线图 图4为壳程流体从进口到出口沿轴线方向流动时流体质点的迹线图。由图可以看出,流体从进口进入后,在进行轴向流动的同时,当流经针翅时所有针翅都受到流体的横向扰流,提高了流体的扰流度。同时,当流体流入针翅管束时,在前置针翅上开始形成层流边界层,但边界层随即在后置针翅上被破坏,并在后置针翅的漩涡区中消失。随后再在下一排针翅上形成新的边界层,又反复被破坏使整个换热面充分利用边界层起始段薄、热阻较小的有利条件。 2·4 数值模拟结果分析 图5是光管、直针翅管和斜针翅管套管换热器模拟的壳程总传热系数K、压降、外传热膜系数αo和综合换热性能(采用ho/Δp评价其综合换热性能)随壳程进口速度的变化曲线。 保持管程流速基本不变,改变壳程流速时,可以看出: (1)针翅管套管换热器和光管换热器的总传热系数K、压降、外传热膜系数均随管内外进口流速的增加而增加,且针翅管均明显高于光管; (2)在同样低的壳程进口流速状态下,针翅管管外综合换热性能明显优于光管; (3)随着壳程流速的增大,针翅管换热器和光管换热器的ho/Δp均随管外流速的增加而降低; (4)模拟结果表明, 7号管的传热效果最佳2号管在低雷诺数下的综合换热性能最佳。 2·5 正交设计结果分析 以传热系数K作为考查指标来对针翅式换热器的正交设计结果进行分析,结果如表3所示。 从表3可以看出, 7号管的传热系数最大,其值为369W / (m2·℃)。计算每个因素水平导致结果之和的极差ΔK,见表4。根据极差大小顺次排出因素的主次顺序为B(s) >A(l) >C(n) >D(d)。 根据表4所列出的计算数据作各因素对传热影响水平的趋势图(图6)。从中可以确定每个因素的可能最佳水平。最后在因素和所选水平中便可以找出“可能最优方案的答案”是B1(s) >A3(l) >C2(nt) >D3(d)。 从以上的结果分析可知,在所选的针翅传热性能的4个影响因素中,针翅间距最为敏感。在以后对换热器性能的研究中,主要的工作应该放在改变针翅间距上,从而达到进一步优化和紧凑的目的。 3 结 论 (1)模拟结果表明, 7号管的传热效果最佳。 (2)针翅管具有较大的扩展表面,且针翅对流体有扰动作用,能较大幅度地提高外传热膜系数;与光管相比,低雷诺数下的强化倍数大于高雷诺数下的强化倍数,特别适用于高粘度油品介质的强化传热场合。 (3)通过对正交设计结果进行分析,得出了4个影响因素之间的灵敏度差异,其中针翅纵向间距是最为敏感的。因此,从理论上得出了强化传热下一步的发展趋势,即改变针翅纵向间距或针翅间的倾斜角度,能更好地达到针翅管强化传热和紧凑性的目的。 参 考 文 献 [1] 李 华,方江敏·太阳棒针翅优化和针翅结构参数对传热和压降的影响[J]·制冷, 2000, 19 (2):56-61· [2] 方江敏,王励端·斜针翅纵向流管束研究及混合管束设计应用[J]·石油化工设备, 2000, 29 (4):13-15· [3] Brigham B A, Vanfossen G J·Lengh to diameter ratioand row number effects in short pin fin heat transfer[J]·Journal ofEngineering forGas Tivbines and Pow-er, 1984, 106: 240-241· [4] 李 华·太阳棒针翅管纵向流油品传热和压降性能与针翅结构优化研究[D]·广州:华南理工大学,1996· [5] 韩占忠,王 敬,兰小平·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: 47-48· [6] 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, 27(3): 54-57· [7] 田胜元,萧日嵘·试验设计与数据处理[M]·北京:中国建筑工业出版社, 2000: 136-139, 146-178· |
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