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换热器板管间隙对流动与传热的影响研究点击：1763 日期：[ 2014-04-26 22:01:02 ] |
| 换热器板管间隙对流动与传热的影响研究 刘敏珊 文顺清 董其伍 王永庆 (郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室) 摘要:折流板换热器中,由板壳间隙引起的漏流和由板管间隙引起的漏流均不利于壳程侧的 传热。为此,通过数值模拟,以GB151—1999推荐尺寸为基准,对管壳式折流板换热器壳程内板 管间隙对压降、传热系数以及综合性能的影响进行了研究与分析。计算中采用标准κ-ε方程, SIMPLE算法,压力方程为标准格式。分析结果表明,当换热器壳程流体流量较小,板管间隙在小 于等于国家一级管束基准间隙时,可以取得较好的传热效果,但较小的间隙使得压降增大,综合 性能指标较差;当换热器壳程流体流量较大时,可以在充分考虑制造安装精度的前提下,适当减 小板管间隙,以取得较好的传热效果。 关键词:换热器 板管间隙 折流板 传热系数 综合性能 0 引 言 换热设备在化工领域中占有非常重要的地位, 折流板管壳式换热器作为一种普通的、应用广泛的 换热设备,其研究和应用一直受到广大研究者的高 度重视。 由于安装和制造精度的问题,折流板换热器总 是不可避免地存在2种间隙:①折流板与筒体之间 的间隙(以下称板壳间隙);②折流板与换热管之 间的间隙(以下称板管间隙)。由于这些间隙的存 在所引起的漏流,即由板壳间隙引起的漏流和由板 管间隙引起的漏流均不利于壳程侧的传热[1]。但 关于这方面的研究,尤其是关于国标对板管间隙推 荐值的研究还未见报道。 笔者通过数值模拟,以GB151—1999(以下 简称国标)[2]推荐尺寸为基准,对管壳式折流板换 热器壳程内板管间隙对压降、传热系数以及综合性 能的影响进行了研究与分析。 1 模型的建立 1·1 物理模型 管壳式换热器壳程是由换热管束和折流板构成, 折流板按照一定的方式沿管长方向等间距交替排布, 使壳程几何结构呈现周期性的变化规律。换热管一般采取对称的布置方式。因此,从几何结构上看, 管壳式换热器壳程流道呈周期性变化,且某些类型 兼具对称性。当进入充分发展阶段后,流动与传热 都以1个几何周期为周期在主流方向重复地变化, 如图1所示。由于管壳式换热器壳程流道的周期性, 为了研究充分发展段的流动与传热规律,计算区域 在原则上只需1个周期即可[3]。周期模型及间隙示 意图如图2所示。通过与试验进行对比,可以证明 笔者所采用模型的正确性和准确性[4]。 由图3可知,随着壳程流量增大,各模型壳程 压降均增大,且有相同的变化趋势。在同样的壳程 流量下,模型的板管间隙越大压降越小。在考察范 围内,当流体流量较大时,即雷诺数较大的情况 下,间隙大小对压降的影响较大。而流体流量较小 时,间隙小于等于国标一级管束规定间隙(0·3 mm)的换热模型,压降随间隙的变化不是很明显。 2·2 换热模型传热系数分析 在不同流量下,6种模型的传热系数变化如图 4所示。 由图4可知,随着壳程流量增大,换热模型的 传热系数增大。在同样的壳程流量下,模型的板管 间隙越大传热效果越差,传热系数越小。当流体流 量较小时,在间隙小于等于国标一级管束基准间隙 的3种换热模型内,其传热系数差别较小,但随着 流量的增大,其传热系数的差别也逐渐增大。对于 间隙大于国标一级管束基准间隙并小于0·65mm的 情况,间隙的变化对传热系数影响均较大,且并不 随流体流量的变化而有较大改变。 2·3 换热模型综合性能分析 在所建立的6个模型中,因为只变化了模型的 间隙,而其他的几何尺寸以及流体参数都保持不 变,所以可以认为模型的宏观参数(垂直于流道 方向的平均面积A,平均速度u等)都保持不变。 根据吴慧英等[9]关于泵功率W的计算公式: 从图5可以看出,随着壳程流量的增大,换热 模型的综合性能指标下降。在相同的壳程流量下, 换热模型的综合性能指标随着间隙的增加而增大。 间隙小于等于国标一级管束基准间隙的换热模型, 间隙的变化对综合性能指标的影响相对较小。对于 所研究的6种间隙大小,随着流体流量增大,间隙 的大小对换热模型综合性能指标的影响逐渐减小。 3 结 论 (1)当换热器壳程流体流量较小,板管间隙 在小于等于国标一级管束基准间隙(0·35mm) 时,可以取得较好的传热效果,但较小的间隙使得 压降增大,综合性能指标较差。流量较小时,可以 适当增加换热器的板管间隙,增大换热器的综合性 能指标。 (2)当换热器壳程流体流量较大时,可以在 充分考虑制造安装精度的前提下,适当减小板管间 隙,以取得较好的传热效果。 参 考 文 献 [1] LiHuadong,KottkeV·Effectoftheleakageonpressure dropandlocalheattransferinshell-and-tubeheat exchangersforstaggeredtubearrangement[J]·Heat MassTransfer,1998,41(2):42-33· [2] GB151—1999·管壳式换热器[S]·北京:中国标 准出版社,2000· [3] 王永庆·纵流壳程换热器不同支承结构壳程特性研 究与分析[D]·郑州:郑州大学,2005· [4] 宫本希·管壳式换热器一种模拟新方法的研究 [D]·郑州:郑州大学,2008· [5] Flunent6·2documentation[R]·USA:FluentInc·20 05· [6] 陶文铨·数值传热学[M]·西安:西安交通大学 出版社,2001:488-490· [7] WhiteFM·FluidMechanics[M]·NewYork:McGr- aw-Hil,l2003:36-45· [8] WesselingP·Principlesofcomputationalfluiddynamics [M]·Berlin:Springer,2001:9-21· [9] 吴慧英,程惠尔,周强泰·基于Webb指标的管内 强化对流换热热力性能的计算及应用[J]·上海交 通大学学报,1999,33(3):377-379· |
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