漏流对折流板换热器影响的数值模拟

点击：1933 日期：[ 2014-04-26 22:00:41 ]

漏流对折流板换热器影响的数值模拟刘敏珊　叶　婷　董其伍 (郑州大学热能工程研究中心) 摘要：通过数值模拟方式研究管壳式换热器内板壳和板管之间的间隙对换热器压降和传热造成的影响,建立与试验相同的物理模型,并用CFD软件对该模型进行数值模拟计算,比较模拟结果与试验结果。结果认为,漏流使换热器的整体压降降低,Re=2 000时压降降低了14·78%,Re =16 950时降低了21·89%;漏流还使换热器的传热系数减小,减小程度从20·63% (Re=2 000) 增加到26·72% (Re=16 950);密封折流板与换热器壳体之间的间隙可以有效改善换热器的传热性能。关键词：折流板换热器　漏流　间隙　传热 0　引　言管壳式换热器是应用于石油、化工、制冷等行业的一种通用设备。其中影响壳程流体流动和传热的因素[1]有管子大小、管间距、排管方式、折流板形式、折流板间距和折流板缺口高度等。弓形折流板换热器[2]内的流体在壳侧流动时,受到折流板的阻挡,流体垂直冲刷管束,湍动程度增加,传热得到改善。为了便于安装,设计折流板换热器时,折流板和壳体之间以及折流板和换热管之间都留出一定的间隙[3],这样壳侧流体流动时一部分流体通过间隙漏流进入下一区域,横掠管束的流体流量减小,流体速度减慢,从而使换热器的换热系数和压降减小。国内外研究者[4]一般都是通过试验来分析漏流对管壳式换热器壳侧压降和整体传热系数的影响,而通过数值模拟对换热器内的漏流进行研究的文献较少。笔者通过数值模拟方式研究管壳式换热器内板壳和板管之间的间隙对换热器压降和传热造成的影响。 LiHuadong[5]对一系列管壳式换热器进行了试验,得到换热器内流体通过间隙的漏流大小[6]。笔者建立与试验相同的物理模型,并用CFD软件对该模型进行数值模拟计算,结果认为,漏流使换热器的整体压降降低,Re=2 000时压降降低了 14·78%,Re=16 950时降低了21·89%;漏流还使换热器的传热系数减小,减小程度从20·63% (Re=2 000)增加到26·72% (Re=16 950);密封折流板与换热器壳体之间的间隙可以有效改善换热器的传热性能。 1　几何模型由于管子分布的对称性,采用对称模型进行模拟。为了考察环隙的影响,建立了以下3种几何模型,模型a为折流板和换热管、筒体之间不存在间隙;模型b为折流板和换热管(板管)以及折流板和壳体(板壳)之间都存在间隙;模型c为折流板和壳体(板壳)之间的环隙用密封圈堵塞, 板管之间存在环隙。表1列出了换热器的内部尺寸。其中折流板缺口为筒体内径的27%,换热管数目为37个。图1 中Z表示流动的Z轴方向的坐标位置,Z-212、Z -325、Z-438、Z-512、Z-664、Z-777、Z- 890分别为第1、2、3、4、5、6、7块折流板中心线的坐标位置。 2　数学模型[7-8] 2·1　控制方程数值计算采用Fluent软件进行,用有限容积法离散控制方程。控制方程如下。质量守恒方程: 2·2　条件设置采用κ-ε模型方程,近壁面区域采用标准壁面函数,求解方程采用速度和压力耦合的SIMPLE算法。压力差补格式选择Standard格式,其它项用二阶迎风格式。进口边界条件:质量流量进口;出口边界条件:压力出口;进口流体温度20℃;管壁设置为50℃恒壁温。 3　结果与讨论 3·1　与试验结果的比较流体通过间隙的漏流量随着进口流量的变化而变化[9],用漏流率=漏流量/进口流量来表示漏流程度。当壳程流体进入充分发展状态后,各折流板处的漏流值相对稳定。为了便于比较,取第5块折流板(截面Z=664 mm)各管排的漏流率与Li Huadong所做的试验数据进行对比(见图2)。由图2可知, b、c 2种模型中,流体通过各截面不同管排间隙的漏流率与文献[5]的试验值基本一致,说明模拟方法正确。 3·2　漏流分析管壳式换热器内,由于折流板与换热管及折流板与壳体之间的间隙大小不同,所以通过板壳间隙与通过板管间隙的漏流量也不同。以下分别对模型b和模型c中各折流板处的漏流量及其分布进行考查。图3表示Re=8 000时,模型b、c中各块折流板处的漏流分布。表2为Re=8 000时,模型b、c中各块折流板处的总漏流率。从图3和表2可以看出,由于受进出口的影响, 第1块与最后1块折流板上的总漏流率小于其它折流板上的总漏流率。当流体充分发展后[10],各折流板上的总漏流率和漏流分布差别不明显,因此第2 块到第6块折流板上的总漏流率和漏流分布十分接近。模型b中通过板壳和板管间隙的总漏流率约为 19%,而模型c中通过板管间隙的总漏流率仅为 1·6%左右,说明通过板壳间隙的漏流量远大于通过板管间隙的漏流量。从图3a还可以看出,通过折流板根部的板壳间隙漏流率最大,大约为6·7%,并且漏流率沿着壳体直径方向逐渐减小,原因是折流板根部的压力差最大并沿着直径方向减小。 3·3　漏流对换热器压降的影响图4为a、b、c 3种模型的整体压降随Re的变化曲线。从图4可以看出,在不同的Re下,模型a、c的压降接近,都大于模型b的压降。并且模型b与a、c的压降差距随着Re的增加而增大。因此,在折流板换热器中,板壳漏流是壳侧漏流的主体,板壳间隙是产生壳侧压力变化的主要因素。 3·4　环隙对传热的影响为了研究间隙对传热的影响,笔者取第3和第 4块折流板之间区域进行研究(见图5)。图6为Re=8 000时模型a、b、c中每根换热管在研究区间内的传热量分布(图中的数值代表该段换热管的传热量, W)。从图6可以看出,由于存在板壳漏流,在该区域内,位于管束外部的换热管的传热量高于管束内部换热管的传热量,管束中换热管的传热量随径向流的流动方向逐渐降低。这是因为折流板换热器内径向流占主导地位,流体温度沿着流向升高,温差越来越小,传热量也就沿着流向降低。对比上图在2块折流板之间的区域,无间隙换热器每根换热管的传热量大于有间隙换热器中每根换热管的传热量,模型b各管的传热量比模型c各管的传热量略低。由于泄漏的原因,各管的平均传热量减少了约 26%。由此可以看出板壳漏流在传热方面的影响比较明显。图7为3种模型的整体传热系数随Re的变化曲线。从图7可知,Re增大,传热系数随之增大。由于板壳漏流是漏流的主体,模型a与模型c的传热系数差别不大。板壳间隙内无换热管,流体从板壳间隙漏过时不能参与换热,所以模型b的传热系数小于前2个模型。在分析了漏流对换热器的影响之后,表3列出了模型a与模型b压降和传热系数的相对误差。Re =2 000时,模型a与模型b的传热系数相对误差为20·63%,压降相对误差为14·78%;随着Re增大,两者的相对误差也增加。Re=16 950时,传热系数和压降的相对误差增大到26·72%和21·89%。 4　结　论 (1)用数值模拟方法模拟管壳式换热器壳侧流场充分发展区域内的漏流分布与文献[4]中的试验结果吻合,证明该数值模拟方法可行。 (2)模型b中通过板壳和板管间隙的总漏流率约为19%,而模型c中通过板管间隙的总漏流率仅为1·6%左右,说明该模型内板壳漏流是漏流的主体。并且漏流在壳体内的分布不均匀,充分发展区域内的漏流量较大,在同一截面上,折流板根部的漏流量最大。 (3)表3表明漏流使换热器的整体压降降低, Re=2 000时压降降低了14·78%,Re=16 950时降低了21·89%;漏流还使换热器的传热系数减小,减小程度从20·63%增加到26·72%。 (4)从分析可以看出,密封折流板与换热器壳体之间的间隙可以有效改善换热器的传热性能。参　考　文　献 [1]　钱颂文·换热器管束流体力学与传热[M]·北京: 中国石化出版社, 2002· [2]　黄文江,张剑飞,陶文铨·弓形折流板换热器中折流板对换热器性能的影响[J]·工程热物理学报, 2007, 28 (6): 1022-1024· [3]　GB 151—1999管壳式换热器[S]·北京:中国标准出版社, 2000· [4]　Perez J A, Sparrow E M·Determination of shellside [J]·HeatTransferEngineering, 1985, 6 (2): 30· [5]　LiHuadong·Effect of the leakage on pressure drop and local heat transfer in shell-and-tube heat exchangers for staggered tube arrangement [ J]·HeatMass Transfer, 1998, 41 (2): 42-33· [6]　曾和义,秋穗正,苏光辉,等·环形窄缝通道单相流动特性研究[ J]·原子能科学技术, 2007, 41 (5): 575-579· [7]　董其伍,刘敏珊,赵晓冬·杆栅支撑纵流壳程换热器壳侧流体流动与传热的数值模拟[ J]·化工学报, 2006, 57 (5): 1073-1078· [8]　刘敏珊,董其伍,刘　乾·折流板换热器的流场数值模拟与结构优化[ J]·石油机械, 2006, 34 (4): 42-45· [9]　黄卫星,陈文梅·工程流体力学[M]·北京:化学工业出版社, 2001· [10]　陶文铨·数值传热学[M]·西安:西安交通大学出版社, 2001: 488-496·

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