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新型轴对称内翅管换热过程的数值模拟点击：1877 日期：[ 2014-04-26 22:00:55 ] |
| 新型轴对称内翅管换热过程的数值模拟 赵钦新 范庆伟 周屈兰 张蕾 (西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049) 摘要：采用数值模拟的方法,对新型整体式轴对称不等高内展翅片换热管的管内流动、换热及阻 力特性进行了研究,并将模拟结果分别与实验测量值和光管经验公式计算值进行了比较,结果表明:数值模拟结果与实验测量结果和经验公式计算结果符合得较好;新型内翅片管的强化换热效果 最好,其换热系数约为光管的1.67~2.27倍,为中心对称翅片管的1.17~1.35倍;内翅片管的阻 力系数是光管的1.44~2.20倍,中心对称和新型内翅片管具有基本相同的阻力系数;8翅和10翅 新型内翅片管的综合性能参数较优. 关键词：工程热物理;内展翅片管;对流换热;数值模拟 中图分类号：TK172 文献标识码:A 管式换热器普遍用于石油、化工、冶金、电力等行业中,具有结构简单、制造容易、安全可靠、材料广 泛、适应性强等特点[1].但在使用过程中,经常遇到 2种换热介质之间换热系数相差较大的情况,特别 是在气(汽)/液换热器中,一般气(汽)体的对流换热 系数在10~70 W/(m2·℃),而液体(以水为例)一 般可以达到4 800~8 000 W/(m2·℃),二者相差 上百倍之多,大大限制了换热效果的提高[2].扩展气 (汽)侧的换热表面是管式换热器常用的强化措施之 一,分为外扩展表面和内扩展表面:外扩展表面即在 管外侧加翅片以强化管外换热,是最普遍的方法,其 研究已非常成熟[3];而采用内扩展表面,即利用内翅 片管来强化换热的研究工作则开展的比较晚,研究 成果也比较少[4-8].内展翅片换热管是20世纪末开 始在国内出现的一种强化换热技术,与外展翅片技 术相比,具有以下优点:换热效率高、节能、节水;承 压性能好、阻力系数小;换热器体积小、占地面积小; 投资省、回报期短;降低用户的维护成本等[2,9].因 此,内展翅片管换热具有很好的发展前景. 基于对内展翅片换热管强化换热机理的分析, 作者突破了传统的中心对称翅片结构型式,设计了一种整体式轴对称不等高内展翅片换热管单元,见图1.内展翅片直接插入管内中心区,将高温介质分割在狭长的窄缝形空间内,介质的中心高温区被有效地分割,强化了换热效果,实现了截面温度场均匀化.同时,新型内展翅片换热管有效地改善了管内介质的流动,在翅片间的流动空间内形成较高流速的 流动,从而加强了扰动,强化了流体间的物质和能量交换.笔者利用数值模拟的方法,对这种新型整体式 轴对称不等高内展翅片换热管的换热、流动和阻力特性进行了初步研究,以期得到最优化的结构参数、换热特性等数据,为今后的试验研究和工程应用提供参考. 1 数值模拟方法 采用FLUENT软件对内展翅片换热管内的流动、换热过程进行了数值模拟.由图1可知,本文所研究的翅片管关于截面的中心线轴对称,故选取管子左半部分为数值计算区域,以表1中所列的几何参数构建等体积三维实体模型.取管内气流的流动 方向为Z轴正方向,入口端面平行于翅片中心轴的 方向为X轴方向,入口端面管子中心为坐标原点, 建立三维直角坐标系.为建模方便,将梯形翅片简化 为矩形翅,采用TGrid子程序中的四面体非结构化网格对计算区域进行网格划分,计算域网格划分节点数为:管内工质的三维网格以0.8的尺度沿长度方向生成,网格数约为105万个;内翅片管的三维网格以1的尺度生成,网格数约为99万个. 计算中既包括气相的流动、传热过程,也包括固 相的传热过程,故采用气固耦合计算模型,将气体和固体作为一个整体计算域,进行全场求解.控制方程 的通用形式如下: 计算采用三维稳态强制对流湍流模型,管内工质(空气)的物性参数通过线性插值方法处理.采用有限容积法对控制方程进行离散,并采用标准k-ε模型进行计算,采用二阶迎风格式对对流项进行离散,并利用SIMPLE算法求解速度和压力的耦合问题. 计算模型的边界条件定义如下:固体壁面采用 壁面边界(Wall);入口选用速度进口边界(Velocity Inlet Boundary Condition);出口为速度局部单向化 (Outflow).对计算区域内的流体-固体传热进行了耦合求解. 对光管,中心对称翅片管,6、8、10、12翅内翅片管的换热特性进行了计算.计算工况为:热空气在管内流动,通过内翅片和管壁与管外的冷却水发生热交换.冷却水流量为55 L/h,冷却水入口温度为300 K,热空气的入口流速为6~18 m/s,空气入口温度 为800 K. 2 数值计算结果与分析 图2所示为光管、中心对称内翅片管和8翅新型内翅片管的管内温度分布图,其中热空气入口速 度为10 m/s.由图可以看出,光管内高温区的控制范围最大,且高温区沿管道轴线方向的长度非常长, 管子出口处气体温度仍然很高,大约为750 K左右. 换热区域基本只局限在管壁附近的局部区域,因而 换热效果较差;中心对称内翅片管较光管有一定程度的提高,温度较低的金属翅片(300~450 K)的换热面积有所增加,翅片周围的高温烟气可以更多地 参与换热,强化了换热效果.但管道轴心线区域仍然存在一个局部高温区,该高温区域的烟气直至管子出口位置时温度仍然很高(750K),没有达到良好的换热效果;新型内翅片管由于翅片的插入深度更大, 完全破坏了管子中心的高温控制区,使得高温空气被分割在狭长的窄缝空间内,从而可以使空气更有效地与翅片之间进行热量传递,局部高温区的控制 范围大大减小.热空气流动至100 mm处时,中心处的热空气温度已降为700 K,流动至200 mm处时 降为600 K,这是前2种换热管无法达到的,可见, 新型内翅片管具有很好的强化换热能力. 换热系数是内翅片管重要的评价指标,笔者对 10翅片管的模拟结果进行了平行试验,试验采用图 1所示翅片管作为基本换热单元.空气经电加热炉 加热至800 K后供入新型内翅片管,与管外冷却水 进行热量交换,通过测量冷却水进出、口温度变化即 可得到内翅片管的换热系数,其中空气进口流速、冷 却水流量和进口温度均与模拟条件相同,试验结果 见图3.此外,还将光管内流动换热过程的模拟结果 与已有经验公式的计算值做了对比性验证,光管内 格尼斯基(Gnielinski)实验关联式[10]为: 由图3可见,10翅片管换热系数的试验测量值 与模拟值符合得较好,远远高于中心对称内翅片管 和光管内的换热系数值.光管内对流换热的数值模 拟结果与实验关联式计算结果的最大误差约为18. 9%,位于允许误差范围内(±20%),由此可见数值 模拟结果是可信的.由图3还可以发现,随着空气进 口流速的提高,换热系数增加.流速提高使得管内流 动的Re数增加,强制换热效果增强,气流流动的湍 流脉动效果也增强,动量、能量交换加快,因此换热 效果得以强化,换热系数增加.整体式轴对称不等高 内翅片管的强化换热效果最好,约为普通光管的1. 67~2.27倍,为中心对称翅片管的1.17~1.35倍, 10翅内翅片管的换热系数最大. 除了强化换热效果外,管内的流动和阻力特性 也是非常重要的评价内翅片管性能优劣的指标.图 4所示为换热管横截面上的速度等值线图,在进口 流速相同的情况下,光管内的气流在流过一段距离 后(200 mm),大部分区域的流动速度依旧很高,只 在壁面附近存在较大的速度梯度.8翅中心对称内 翅片管中的流场与光管有较大差别,翅片分割的每 个扇形区域内都存在一个局部的中心高速区,壁面 附近有较大的温度梯度,即每个扇形空间内的气体 都按管内流动规律发展,管道中心区由于翅片的限 制形成了一个局部低速区,结合图2可知该区域速 度较低,换热系数较小,即使高温空气与壁面接触 存在较大的温差,但实际传递的热量也非常有限,所 以中心对称内翅片管中心线区域的气流温度很高 新型内翅片管由于翅片的插入深度大,翅片间的间 隙窄,所以经过一段距离之后,气流的速度场相对比 较均匀,截面上的速度梯度较小,没有局部高速区的存在. 图4 z=200 mm截面速度分布(从左到右依次为光管、8翅中心对称、8翅轴对称) Fig.4 Velocity contour atz=200mm (From left to right they are bare tube, centrally symmetric finned tube with 8 fins and axisymmetrical finned tube with 8 fins respectively) 图4也可以反映出管道阻力特性方面的信息, 光管内速度较高,可以推断光管内的阻力损失最小. 这主要是因为光管内气流跟管壁接触的面积较小, 因此流动阻力较小.8翅中心对称和新型内翅片管 中气流与管壁的接触面积较光管有较大的增加,因 此流动阻力比光管的大,速度分布特性也可以证明 这一点.但后2种换热管的阻力特性大小不能从速 度分布图上得出.为此,图5给出了不同结构换热管 阻力系数的对比图,热空气流经长度为L的试验段 后产生的压降为Δp,单位为Pa,其阻力系数采用 Darcy定义[11]: 式中,ρ为流体的密度;u为流体的平均速度.由图5 可知,内翅片管的阻力系数普遍大于光管的阻力系 数,约为光管阻力系数的1.44~2.20倍,并且随着 翅片数的增加,阻力系数呈增加的趋势.8翅中心对 称内翅片管和新型内翅片管有基本相同的阻力系 数,但新型内翅片管的换热系数较高(见图2),由此 可以证明,新型内翅片管的综合特性较优.新型内翅 片管中不同翅数换热管的换热系数差别不大,10翅 的稍高,阻力系数随翅片数的增加呈线性变化的趋 势.综合考虑换热系数和阻力系数的变化趋势,8翅 称内翅片管和新型内翅片管有基本相同的阻力系 数,但新型内翅片管的换热系数较高(见图2),由此 可以证明,新型内翅片管的综合特性较优.新型内翅 片管中不同翅数换热管的换热系数差别不大,10翅 的稍高,阻力系数随翅片数的增加呈线性变化的趋 势.综合考虑换热系数和阻力系数的变化趋势,8翅和10翅新型内翅片管的综合特性较好. 3 结 论 利用数值模拟的方法,对新型整体式轴对称不 等高内展翅片换热管内的流动、换热、阻力等特性进 行了初步研究,并与试验结果和经验公式计算值进 行了对比,通过对模拟结果的分析得到以下结论: (1)新型内展翅片管对高温空气的分割效果明 显,改变了管内从轴心到管壁的层状温度场分布(光 管),使得翅片间隙内空气温度分布的均匀性得到提 高. (2)数值模拟结果与试验测量结果和经验公式 计算结果符合得较好.新型内翅片管的强化换热效 果最好,约为光管的1.67~2.27倍,为中心对称翅 片管的1.17~1.35倍,且10翅新型内翅片管的换 热系数最大. (3)通过对管内气体速度场的比较发现:3种 换热管的管内流场差别较大,光管中气流速度衰减 慢,高速区控制范围大;中心对称翅片管每个扇形分 区内的流场基本按管内流动过程分布,但在中心区 域却产生了一个低速区;新型翅片管中气流流速较 低但分布比较均匀. (4)内翅片管的阻力系数是光管的1.44~2.2 倍,中心对称和新型内翅片管具有基本相同的阻力 系数,但新型内翅片管的换热系数高,所以新型翅片 管的性能较好. (5)综合考虑换热系数和阻力系数的变化趋 势,8翅和10翅新型内翅片管的综合性能参数较优. 通过本文的研究工作,可以初步证实新型内翅片管优异的换热特性,并基本确定最优几何参数值, 为下一步的试验研究和工程应用提供了有益的参 考. 参考文献: [ 1 ] 张良栋,胡光忠,王维慧.内翅片换热管力学性能的研 究[J].中原工学院学报,2007,18(3):20-23. [ 2 ] 张生龙.内展翅片换热器的特点及应用[J].应用能 源技术,2004(4):18-20. [ 3 ] 李慧君,张明智,周兰欣.燃气锅炉的烟气凝结换热 [J].动力工程,2007,27(5):697-701. [ 4 ] 李钢燕,赵 雪.内翅片管换热器传热性能实验研究 [J].冶金能源,2003,22(5):26-31. [ 5 ] 姜 莹.内展翅片式空气冷却器的应用[J].节能与环 保,2003(9):33-34. [ 6 ] 李 智.波纹内翅片管的管内对流换热特性研究[J]. 河南化工,2005,22:16-18. [ 7 ] 田 林,王秋旺,谢公南,等.三种内翅片管管内流动 与换热特性[J].化工学报,2006,57 (11):2543 - 2547. [ 8 ] 李晓燕,李 智,张庆刚.新型内翅式氮气换热器对流 换热性能研究[J].哈尔滨商业大学学报,2006,22 (1):115-117. [ 9 ] 李虹戈,刘传广.内展翅片换热器[J].油气田地面工 程,2006,25(11):61. [10] Al-Sarkhi A, Abu-Nada E. 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