不锈钢换热器
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组件式螺旋管换热器的壳侧流场计算点击：2029 日期：[ 2014-04-26 22:00:56 ] |
| 组件式螺旋管换热器的壳侧流场计算 申亚欧 段日强 姜胜耀 (清华大学核能与新能源技术研究院,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084) 摘要：为优化换热器组件间流量分配、提高换热器整体换热效率和组件寿命、为组件的排布设计提供理论依据,该文采用计算流体力学的方法,在一定的简化和假设基础上,针对一种典型的换热设备进行了整体流场分析以及单个换热 器组件内的壳侧流场分析,给出了组件间流量分配规律和单个组件内的壳侧流场分布结果。计算结果表明:组件间流量分配主要受组件自身流动阻力的影响,并行排列的换热器组件能有效展平流量分配;单个组件内壳侧流场受螺旋管层位置结构的影响,呈现出较为复杂的分布。 关键词：螺旋管换热器;流量分配;流场;数值模拟 中图分类号：TK 172文献标识码:A 文章编号：1000-0054(2009)03-0396-03 随着社会的进步和工业的发展,人们对换热的要求也越来越高。为满足工业的需要,各种新型换热 器应运而生,其中绝大多数换热器都朝着结构紧凑的方向发展,以期达到经济、高效的目的。在众多形式的换热器中,螺旋管式换热器以其较高的换 热效率、紧凑的结构及加工的便利得到了广泛的应用。为满足大型换热设备和某些特殊场合的需要,在 传统螺旋管换热器的基础之上研究出了组件式螺旋 管换热器。顾名思义,组件式螺旋管换热器即将传统螺旋管换热器简化后制成单个的独立换热器组件, 各组件自成体系,功能完备,且各组件可以并行使 用。因此,单个组件不仅继承了传统换热器的优点, 同时还具有拆卸方便、排布形式多样等优势,对于大型换热设备和一些特殊换热结构,可以依赖其灵活 的排布形式满足用户的各种换热要求。 在工业应用中,组件前端来流一般是不均匀的, 此时组件间的流量分配成为设计者们最为关心的问题。组件间流量分配不均,将导致各组件的工作负荷 不一致,降低某些组件的使用寿命以及换热设备的整体换热效率。 针对这一问题,本文首先模拟计算了一种简单排列的组件式螺旋管换热器的流量分配,给出了各换热器组件间的流量分配结果以及影响其流量分配的因素。并在此基础之上,对单个换热器组件内部的流场分布进行了数值模拟,同时给出了单个换热器组件内各螺旋管层间的流量分配结果。 1 计算模型 1.1 几何模型的建立 本文在计算中采用氦气作为壳侧工质,不考虑 换热情况,整体结构如图1所示。氦气从上方Ф900 mm的圆形入口进入Ф2956mm×2535mm的柱形 空腔,往下经过一段950mm高的扩张圆台之后到达 底部Ф3906mm×950mm的柱形空腔。该空腔底部与44根均匀排列的螺旋管换热器组件相连,组件尺 寸为Ф218 mm×2290 mm,相邻组件间中心距为 494mm。实际上,组件的壳侧入口位于侧面,因此可 在组件上方60 mm高处相应地添加了Ф218 mm× 10mm的挡流片。 螺旋管换热器的具体结构可以参见文[3],本文 单个换热器组件的计算模型见图2。壳侧流体从环形 区域流入,掠过螺旋管层,环形区域内径为Ф62 mm,外径为Ф218mm。其中沿环形区域径向由内向 外分别由2、3、4根Ф18mm的螺旋管缠绕形成3个螺旋管层,相邻管层中心距为26mm。 1.2 边界条件和湍流模型的确定 1)整体计算模型边界设置。入口采用质量流速边界,质量流量取41.40 kg/s;出口采用压力边界,参考压力取101.33kPa。本文之所以没有采用自由出流的出口边界是因为对于一个入口多个出口的 模型,若采用自由出流边界,则FLUENT默认出口 流量为均匀分布,详细讨论可参考文。 2)单个组件计算模型边界设置。入口采用质 量流速边界,质量流量取0.24kg/s;出口采用自由 出流边界。 3)湍流模型的选取。FLUENT软件提供了多种湍流模型,包括S-A模型、κ-ε模型、Reynolds应 力模型以及大涡模拟等。本文采用标准的κ-ε模型, 它具有较好的收敛性,能很好地模拟湍流形成,且适 用范围比较广。对于各湍流模型的详细介绍可参考文。 2 结果与分析 2.1 组件间流量分配分析 图3给出了沿入射方向纵剖面的速度场,可以看出,换热器组件前端空腔内流动情况较为复杂。这是因为入口射流速度较高,由Bernoulli方程可知, 此处压力必然有所降低,从而带动周围流体随之运 动,在射流附近形成一个复杂的流场。同时中部圆台 的扩张结构,更有利于局部湍流的生成。但是流体在进入组件后迅速被整平,这是因为流体在进入组件时,流通截面急剧缩小,同时由于挡流片的存在,使得此处具有极大的局部阻力,流体流经此处压力损 失较大。计算结果表明:组件前端腔体的相对压差为50.43Pa,组件段的相对压差为353.01Pa。因此, 前端不均匀的来流受此阻力的影响,流速有所降低, 同时也使得流场有所展平,进而使分配到各组件间的流量趋于一致。 为了证明上一结论,本文同时计算分析了不加 组件时的情况。两者的流量分配曲线见图4。其中: 不加组件时,各出口中最大流量为2.37kg/s,最小 流量为0.26kg/s,二者相差2.11kg/s,均方根误差 为其中qm为质量流量,m-为平均质量流量,N为组件数;加上组件之 后,最大流量为1.01 kg/s,最小流量为0.91 kg/s, 二者仅相差0.10kg/s。均方根误差仅为0.02。由此可 知,在没有组件存在的情况下,亦即流体在出口 处没有受到较大阻力时,出口间流量分配是极不均匀的。 因此,本文认为换热器组件间的流量分配主要受组件自身流动阻力的影响,亦即换热器组件的流 量分配的均匀性主要取决于组件自身流动阻力的均 匀性。 2.2 单个换热器组件流场分析 由于单根螺旋管的流量分配与螺旋管的换热直接相关,因此本文对计算数据进行处理后给出了图5 所示的纵向掠过单管的流量分配曲线。图中n为螺旋管层编号,由内向外分别为1、2、3。由图5可以看出,最外圈螺旋管获得的纵向流量最大,而中间层最小。同时图6给出了横向对流与纵向流量的百分比, 图中y为百分比。由图6可知,中间层的横向流量与纵向流量比最大,但是和最外层相差不大。因此综合考虑,最外层单个螺旋管所分配的壳侧流体流量最 大,中间层次之,最内层最小。 3 结 论 1)采用并行排列方式时,换热器组件流量分配的均匀性主要取决于组件自身流动阻力的均匀性。因此若采用相同规格的换热器组件,可使换热器组件的流量分配均匀,从而提高换热器组件的使用寿命以及换热效率。适当提高组件自身阻力也能进一步展平流量分配,但是会加重系统负荷,设计过程中应对二者进行综合考虑。 2)对于文中的三层螺旋管式换热器,计算结果表明:最外层单个螺旋管所分配的壳侧流体流量最大,最内层螺旋管最小。因此,设计上存在优化的空 间,有待展开进一步的工作。 |
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