多孔泡沫金属换热器内流体流动和传热的均匀性分析

点击：1832 日期：[ 2014-04-26 22:00:40 ]

多孔泡沫金属换热器内流体流动和传热的均匀性分析 1.李菊香　2.涂善东 (1.南京工业大学能源学院,南京210009;2.华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237) 摘要：在恒定热流密度条件下,对单相流体分别强制轴向层流流经多孔泡沫金属换热器管内、外的流动和对流传热的均匀性进行了分析。结果表明:填充多孔泡沫金属后,流体的速度和温度分布的均匀性比光管时明显提高。对于壳程区域的全角点管间区域与内部管间区域,多孔泡沫金属的孔隙率越大,两者间平均流速的差异越大,对流换热的差异越小;多孔泡沫金属的ppi数越大,两者间的平均流速和对流换热的差异越小;管间距越大,平均流速的差异越小。关键词：多孔泡沫金属;管壳式换热器;流动;传热;均匀性中图分类号：TB343.8;TK124文献标识码:A 多孔介质中流体的流动和传热的研究始于2 世纪后半叶,目前已发展和形成了多孔介质的流体动力学理论[1]和初步的传热传质理论[2~3]。最初研究的多孔介质大多为人工模拟的多孔骨架,但随着 20世纪90年代多孔泡沫金属的出现[4],由于其具有极高的比表面积,能大幅度地强化传热以及具有质量轻、体积小、吸音降噪、机械性能好等优点,以多孔泡沫金属作为流体通道的各种换热设备的相关研究得到迅速发展[5~8]。目前,国内外关于多孔泡沫金属换热器内流体的流动和传热传质的研究仅为最简单的单体模型, 即只讨论单管内、外或单层的多孔介质通道。如Lu W和Zhao C Y等[5,7]对具有圆形外壳的、单支圆管内外冷、热单相流体逆流的流动和传热进行了分析。对于具有由较多传热管组成的、且管内外均填充有多孔泡沫金属的换热器内流体的流动和传热的研究鲜见报道。本文对填充有多孔泡沫金属的方形管壳式换热器内部管程和壳程的单相流体在恒定热流密度和强制层流条件下的流动和传热的均匀性进行了分析,有助于研究多孔泡沫金属换热器的理论基础。 1　基本假设及数学描述常压多管型换热器普遍由内含的多支圆截面传热管和方形通道壳体组成。本文讨论在常压换热器内冷、热单相流体分别在正方形排列的管内外沿管轴向强制层流流动的情况。图1为换热器内部管、壳程流体的流通截面示意图。管程流体为不混合型的流动;壳程流体的所有单元流通区域可根据传热管的位置划分为3种情况:(1)内部管间区域(如图 1中的位置1)。当换热器内布有很多管子时,大部分为此种区域;(2)全角点管间区域。该区域的四周均为绝热边界,如当换热器内只有一支传热管时,该区域的外侧四周均为绝热边界;(3)平直边界管间区域(如图1中的位置2)。平直边界管间区域可认为是由部分的内部管间区域和部分的全角点管间区域组成。本文的基本假设如下:(1)流体的流动服从 Brinkman-extended Darcy规律;(2)多孔泡沫金属为均匀介质;(3)流体为不可压缩;(4)流体的流动处于定常;(5)流体和多孔泡沫金属均为恒定的热物理性质;(6)流体和多孔泡沫金属间服从瞬时局部非热平衡的传热规律;(7)忽略热弥散效应;(8)整个管内、外通道内的流动和传热都处于充分发展状态; (9)忽略管壁的导热热阻和多孔泡沫金属与管壁间的接触热阻。当管、壳程流体在各自的通道内沿着管轴方向流动时,单元流通截面如图2所示。单元管间区域为一个中心去除圆管截面后的正方形。本文将单元管间区域简化成与之流通面积相当的圆环区域。取管间距为S,则圆环区域的外半径：在恒定热流密度和强制层流的条件下,换热器内部无论是管内区域还是管外的内部管间区域和全角点管间区域,流体的流动和传热所遵守的基本规律都相同, 所不同的只是边界条件。而壳程的内部管间区域和全角点管间区域边界条件的差异导致了整个壳程范围内流动和传热的差异。建立圆柱坐标系(r,z),管、壳程对流换热的动量方程和能量方程分别如下: 本文应用有限差分法,以平均温度为50℃的空气作为单相流体,对上述方程组配合边界条件进行了数值计算。由于各方程均为线性,且管、壳程的流动和传热的边界条件都较为简单,因而计算结果只存在迭代过程的累计误差和舍入误差。 2　管内流动和传热的均匀性分析黏性流体在光管内层流流动时的速度和温度均呈旋转抛物面分布,具有很大的不均匀性。而当管内填充多孔泡沫金属后,情况就大不一样。图3为层流和恒定热流密度加热条件下管内填充8 ppi、孔隙率为0.95的多孔铜泡沫后,流体的无因次流速分布和流体与多孔泡沫金属的无因次过余温度分布。其中,无因次流速为局部流速与截面上的平均流速之比。由图3可知,在近壁面处,流体具有很大的速度梯度,而在其余的大部分区域内,流体的速度分布则非常平坦;流体的温度分布也呈现近壁处变化率大、管中心的大部分区域内相对平坦的特征;而整个管内泡沫的径向温度分布则较为均匀。流体的速度分布和温度分布非常类似于流体在光管内湍流时的分布情况。由此可知,由于填充了多孔泡沫金属,管程流体即使处于层流状态,在除近壁处薄层以外的大部分区域内,流体的速度分布和温度分布也具有较强的均匀性,即流动和传热具有较强的均匀性。而泡沫的温度分布较为均匀可能是因为金属具有较高的导热能力。 3　壳程流动和传热的均匀性分析类似于管内流动,对于壳程流体,无论是内部管间区域还是全角点管间区域,当填充有多孔泡沫金属时,流体的速度和温度在除近壁处薄层以外的大部分区域内也具有较强的均匀性。图4为内部管间区域和全角点管间区域内的无因次速度分布和无因次过余温度分布。在同一台换热器内部,流体流经的各单元区域相当于并联管路系统,因此,流体在各单元区域内的流动必须服从阻力相等的流量分配原则。由于湿周的不同,全角点管间区域中流体的平均流速必然小于内部管间区域中流体的平均流速, 该平均流速的差异引起了这两种不同区域对流换热的差异。因此,在图4中,局部流速在半径方向呈现近壁处薄层内很大的变化率、其余较大空间内较为平坦的分布,远比内层流光管时的分布均匀得多。图5~图7分别为同一台换热器内部壳程全角点管间区域与内部管间区域的平均流速比和对流换热的平均Nu数的比值随泡沫孔隙率、泡沫的pp 数和相对管间距的变化。由图5可知,多孔泡沫金属的孔隙率越大,全角点管间区域与内部管间区域的平均流速比越小(比值越小于1),即两者间的流速差异越大.这主要是由于阻力相等的流量分配原则使得这两种区域内的速度大小存在差异,也即孔隙率越大,其对流动阻力的影响也越大;多孔泡沫金属的孔隙率越大,两种区域内对流换热平均Nu数的比值也越大(比值越接近于1),即两者间对流换热的差异越小。也就是说随着多孔泡沫金属孔隙率的增大,尽管两者间平均流速的差异在增大,但多孔泡沫金属的强化传热作用使两者间的传热差异反而变小。由图6可知,多孔泡沫金属的ppi数越大,全角点管间区域与内部管间区域的平均流速比和对流换热平均Nu数的比值均越接近于1,即流动和传热的差异均在缩小。由图7可知,管间距越大,全角点管间区域与内部管间区域的平均流速比越大(比值越接近于1), 即流动差异越小。管间距越大,说明流通截面上与流体接触的边界对流动的限制越来越小,多孔泡沫金属驱使流体越来越均匀地流动;而从对流换热的平均Nu数比值的变化来看,对流换热的平均Nu 数的比值随管间距的增大呈现先增大后减小的变化趋势。 4　结　论在恒定热流密度条件下,对单相流体分别强制轴向层流流经换热管正方形排列的方形管壳式多孔泡沫金属换热器的管内、外的流动和传热的均匀性进行了分析,并对速度分布和温度分布与光管时的情况进行了对比分析。管内填充多孔泡沫金属后, 速度分布和温度分布的均匀性明显比光管时提高。对于管外的全角点管间区域与内部管间区域,多孔泡沫金属的孔隙率越大,两种区域内流体的流速差异越大,对流换热的差异越小,多孔泡沫金属对传热起到了明显的加强作用;多孔泡沫金属孔隙的ppi 数越大,两种区域内的流动和传热的差异越小;管间距越大,多孔泡沫金属驱使流体越来越均匀地流动。

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