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可拆式螺旋板换热器内部流动与传热的数值模拟点击：2088 日期：[ 2014-04-26 21:58:18 ] |
| 可拆式螺旋板换热器内部流动与传热的数值模拟 1.2.王冰 1.蒋家羚 (1．浙江大学，浙江杭州310027；2．合肥通用机械研究院，安徽合肥230031) 摘要： 应用计算流体力学(CFD)和数值传热学方法，建立了可拆式螺旋板换热器内部流动与传热的数学模型，模拟得到了其内部压力场和温度场的分布情况，同时讨论了流体流速和流道间距对换热器性能的影响。结果表明，几何结构 一定时，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，流道间距的确定必须兼顾传热一压降性能和金属板材消耗量综合权衡。这些模拟结果对可拆式螺旋板换热器的优化设计以及运行参数的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；计算流体力学；传热；数值模拟 中图分类号： TQ051．5 文献标识码： A 1 前言 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，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。 2 结构与工作原理 可拆式螺旋板换热器由外壳、螺旋体、进出口管及端盖垫片密封结构等四大部分组成，具体结构如图1所示，具有两个彼此隔绝的供介质流动的矩形截面通道。一般热流体由换热器中心进入从里向外螺旋形流动，冷流体则由周边向里流动，每一流道的外端都焊有一个管联箱以适应各周边接管。 冷热流体在可拆式螺旋板换热器的矩形截面通道内作螺旋形流动，通过传导和对流方式换热，伴随有压力和温度的变化。一般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，为了定性分析这些因素对换热器性能的影响，这里采用CFD数值模拟的方法进行分析。 3 性能评价指标 有关换热器性能评价的指标很多，单从传热角度考虑的指标就有传热系数K、换热效率 、传热单元数NTU等，这类评价指标只考虑换热器的传热效果，而不考虑换热器的阻力问题 。综合考虑传热和阻力两方面性能的评价指标也很多，如Kay—london的 (传热因子)一，(摩擦因子)法、R．L．Webb的纵向比较法、A．Bejan提出的熵增准则等，但这些方法应用起来相对繁琐，可操作性差。 前苏联基尔比切夫也提出了一种综合评价换热器传热与流阻性能的系数 ，定义式为： EQ=Q／Ne 其中Q为换热量，Ne为维持换热器内冷热流体流动的泵功，无量纲量EQ即为消耗单位泵功所实现的热交换量，物理意义十分明确，既实用又简便。但换热量的大小与换热面积密切相关，因此上式对不同换热面积的换热器就缺乏比较的基础。 在上述分析的基础上，本文兼顾全面性和可操作性，从传热系数和压降的角度来考虑，提出一个新的性能系数Ek(简称传热一压降性能系数)，其定义式为： 由于传热系数K是评价换热器性能的一个重要参数，因此对于各种不同参数结构的换热器，通过比较Ek，即可知道在消耗同样功量的条件下，哪一种结构参数的换热器性能最好。 4 模型描述 4．1 物理模型 计算所采用可拆式螺旋板换热器的的物理模型如图2所示，其具体尺寸参数列于表1所示。 4．2 数学模型 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提出的始于模拟旋转流的RNG k一￡模型进行模拟 J，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、能量守恒方程、k—e双方程等7个方程，用于求解速度、压力、温度等变量。 4．3 模拟条件及数值计算方法 模拟体系中的冷热流体分别为液态水与燃料油(C19H30)，它们分别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。计算所采用的边界类型、初始条件如表2所示。 4．4 网格划分及数值求解方法 对可拆式螺旋板换热器采用四面体非结构化网格划分，在入口与出口区域进行局部加密，具体划分产生节点291949个。 对于可拆式螺旋板换热器内的物理场采用三维稳态模拟、隐式分离求解的方法。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算法进行压力一速度耦合。 5 物理场模拟结果 5．1 压力场模拟结果 图3是表1、表2所示工况下，可拆式螺旋板换热器内压力分布。从图中可以看出，换热器内部压力梯度的分布相对均匀，即使在入口和出口部位的压降变化也不剧烈，这一方面说明螺旋形流道因曲率连续过渡而阻力较小，另一方面也说明采用切向进口加缓冲集箱的换热器进出口的局部阻力损失也较小。另通过取进出口截面的平均压力差减可得压降，其中热流体油侧的压降为47180．56Pa，而冷流体水侧的压降仅为6768．29Pa，这是因为油的粘度较大所致。另外，图中水入口处有一颜色分布不规则区域，这是由于计算过程中的数值振荡所致。 5．2 温度场模拟结果 图4给出了可拆式螺旋板换热器经过侧向接管的横截面上的温度场云图。 从图4不难看出，换热器中心区域，由于温差较大，传热强烈，出现了较大的温度梯度，而其他区域的温度梯度分布则比较和缓均匀。这说明螺旋板换热器的中心区域传热效率最高，这与中心区域的换热板曲率较大，流体湍动剧烈有关。另取各进出口截面的平均温度分析知，油和水的出口温度分别为318．48K和304．397K，油的温降为39．52K，大于水的温升11．4K，这是由于水的比热容比油要大导致的。 6 性能影响因素分析 对可拆式螺旋板换热器而言，流体的流速、流道间距是影响换热器性能的最主要因素，通过数值模拟分析了它们对换热器性能的影响。 6．1 流体流速对换热器性能的影响 图5—10分别给出了螺旋板换热器的几何结构一定时，传热系数、压降以及传热一压降性能系数随流体流速的变化情况。 从图5、6可以看出，对于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，流体流动的雷诺数也会发生变化，因此传热系数和流体压降都会相应发生变化。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：当水的流速从1．5m／s增加到3．0m／s后，传热系数从643．37增大到659．47，增大了16．1 W／(m ·K)，而油的流速从1．5m／s增大到3．0m／s后，传热系数从734．10增大到972．34，增大238．24 W／(m ·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7、8)，无论水侧还是油侧，流速的增加都会导致换热器阻力的增大，压降都以近线性的规律增加，这是通过改变流速来增强换热效果所付出的代价。相对而言，当流速增加的幅度相同时，油的压降增大的幅度要比水大得多。当水的流速从1．5m／s增加到3．0m／s后，压降从6768．29Pa增大到35693．42Pa；而当油的流速从1．5m／s增大到3m／s后，其压降从73686．77Pa增大到155978．9Pa，变化幅度更大，这与油的粘度较大密切相关。 图9、10中给出了传热一压降性能系数随油和水的流速的变化情况。从图中可以看出，传热一压降性能系数随着油和水流速的增大均减小，但是在流速增加幅度相同时，水流速的增大使得传热一压降性能系数下降的更快：当油的流速从1．5m／s增加到3．0m／s后，传热一压降性能系数E 从3．23降低到1．08／(m ·K)；而当水的流速从1．5m／s增大到3m／s后，传热一压降性能系数从5．98下降到2．74／(m ·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，传热一压降性能系数也急剧下降，因此通过提高水流速来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，适当提高油侧流速来实现更为经济有效。 6．2 板间距变化对换热器性能的影响 对于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1 1～14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、压降以及传热一压降性能系数Ek的变化情况，其它参数均同表1、2所列。 从图11可以看出，在其它条件一定时，随着螺旋板换热器板间距的增大，传热系数降低。其原因在于，板间距增大后，流体流道横截面积增大，在流体流量一定的情况下导致了流速降低，增大了冷热流体的对流换热热阻，因而使得总体传热系数减小。 观察图12和图13，不难发现随着板问距的增大，冷热流体的压降都减小，其原因在于板问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所致。但是在板间距增大幅度相同的情况下，油侧压降减小更为显著：当板问距从0．002m增大到0．006m后，油侧压降从130871Pa下降为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14给出了传热一压降性能系数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一压降性能系数提高，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，金属板材消耗量会增多，因此必须综合权衡。 7 结论 (1)建立了由连续性方程、动量方程、RNGk— s双方程以及能量守恒方程共同构成的封闭控制方程组，模拟得到了换热器内湍流场、温度场和压力场的分布。结果显示换热器内部压力梯度的分布相对均匀，进出口的局部阻力损失也不大，但相比之下粘度较大的热流体油侧压降相对较大，约为冷流体水侧压降的7倍；换热器中心区域因温差与曲率均较大，湍流更激烈，其温度梯度明显大于换热器外围区域，同时比热容较小的热流体油的温度变化量也较小。 (2)流体的流速与流道间距是影响换热器性能的最重要因素。模拟结果表明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、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；在流量一定的情况下，一般换热器流道间距增大，传热系数和压降会减小、传热一压降性能系数会提高，但因换热器外径会增大，金属板材消耗量增大，经济性降低，因此应根据实际工况综合权衡。 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] 倪振伟，焦芝林．换热器流道的几何因素对阻力和传热性能影响的评价[A]．传热传质学文集[c]，1986． [4] 彭雄兵，彦启森．冷水表面式冷却器的熵增分析与换热器强化传热评价准则的研究[J]．暖通空调，1997，27：18—21． [5] 吴双应，李友荣．关于换热器热力学性能评价指标的分析与讨论[J]．重庆大学学报，1997，2O：54-59． [6] 吴双应，牟志才，刘泽筠．换热器性能的炯经济评价[J]．热能动力工程，1999，11(14)：437-440． [7] 詹宗勉，袁金良，潘延龄．评价板式换热器传热及流阻综合性能的方法[J]．工程热物理学报，1992，13(4)：400-403． |
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