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板翅式换热器封头结构的物流分配特性

点击:1911 日期:[ 2014-04-26 22:01:05 ]
                           板翅式换热器封头结构的物流分配特性                                       张哲    田津津                         (天津商业大学天津市制冷技术重点实验室,天津 300134)     摘要:数值研究了传统型封头结构对板翅式换热器内部物流分配的影响。数值计算结果表明,换热器内部存在严 重的物流分配不均匀性,当平均雷诺数为1000时,最大不均匀度达0.56。在对物流分配不均匀性分析的基础上, 首次提出了曲面孔板封头结构,并对改进型封头结构进行了数值计算。计算结果表明,改进的封头结构可以有效 地改善换热器内部的物流分配,并且比平面孔板封头结构更加有效,绝对不均匀度已从3.47减小到0.32。实验结 果与数值计算结果对比表明二者吻合较好,说明了数学模型及算法建立的可靠性。     关键词:板翅式换热器;物流分配;封头     中图分类号:TK12 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2009)01-0015-04     板翅式换热器由于具有效率高、结构紧凑等特 点,而被广泛应用于石油、化工等工业领域。国 内外的研究指出,引起该类换热器性能下降的主要 因素为物流分配的不均匀、轴向导热及温度场的不 均匀,而三者中物流分配不均匀的影响是最重要的。对板翅式换热器的研究发现:传热单元数 NTU在4—50范围内,由于物流分配的不均匀可导 致换热器效能下降3.5%—9.54%。     国内外学者普遍认为引起分配不均匀的主 要因素是封头结构不合理所致。对板翅式换热 器的研究发现:由于封头结构以及换热器的流动布置方式不同,可导致换热器的整体效能相差 很大。目前对于此问题各国学者进行了大量的 试验研究,但试验研究周期长,费用高。应用 CFD研究板翅式换热器封头设计由此产生。文 献首次以CFD为工具,对板翅式换热器封头 结构进行了相应的计算,为以后封头结构的优化 设计打下了坚实的基础。文献提出的平面孔板结构,但是换热器边缘物流分配依然不均匀。本文采用计算软件Fluent,在对目前广泛使用的封头结构进行了相应的计算的基础上,提出了新型封头结构。     1 数值模型     1.1 物理模型     图1为板翅式换热器,模型尺寸是根据实际 的换热单元体的几何尺寸模化而来,其主要结构 尺寸为入口管直径42mm、长50mm;封头瓜皮 式结构,直径60mm、长250mm。本文研究的工 质为空气,其中平均雷诺数为换热器内部的平均 雷诺数。                     1.2 控制方程组     本文模拟的问题是三维稳态常物性不可压缩湍 流流动,并且忽略体积力。控制方程包括连续方程、 动量方程等,板翅式换热器封头结构内部流体流动 的情况可用如下方程组来描述:                          1.3 边界条件及收敛条件 (1)入口条件:给定进口雷诺数及进口扰动强 度系数。 (2)出口条件:出口截面背压通过实验测量 确定。 (3)壁面条件:四周墙体绝热,无速度滑移。 (4)收敛条件:其残差绝对值小于10-5。 采用有限容积法离散控制方程,对流项与扩散 项的离散采用混合格式。对各变量的离散化方程组 采用TDMA逐线扫描低松弛迭代法求解,对连续方 程和动量方程的联立耦合迭代求解则采用半隐式的 SIMPLER算法。 2 计算结果及其分析 2.1 传统封头结构的计算与分析 图2揭示的是传统封头在换热器内部不同平均 雷诺数时的中心截面流场矢量图,可以发现封头内 部的流场存在严重的不均匀性,整个封头内部流体 流动从入口到出口相当集中,大部分高速流体都集 中在封头中心位置。流体在中心与两侧区域流速分 布极不均匀,流速由中间向两端递减,并以入口管轴 线成对称分布,并且随着平均雷诺数的增大速度分 布不均匀性也随之增大。可以看出,作为目前广泛 使用的封头结构,其内部的流场存在严重的不均 匀性。 2.2 改进型封头结构的计算与分析 文献[8]提出的二次型封头结构,见图3(a), 虽然其分配性能有所改善,但是安装不方便。文献 [9]虽提出了孔板封头结构,见图3(b),但孔板为 平面,造成了流动阻力大,以及中间与两端分配依然 不均匀的问题。为了从根本上改善板翅式换热器物 流分配不均匀的问题,首次提出了曲面孔板封头结 构,见图3(c),其结构主要是在封头瓜皮结构的内 部安装1块曲面孔板(打孔率为30%,直径为 5mm),孔板主要在此处发挥物流平均分配的作用, 使流体经孔板进行渗流。与平面孔板封头相比,曲 面孔板封头借助曲面孔板的特殊形状,使流体自然 从中心区域流到边缘区域,从而可以将入口管轴线 附近的通道流速降低,而提高远离轴线位置通道的 流速。 为了评估封头出口截面物流分配的不均匀性, 引入不均匀度Si及绝对不均匀度S的概念,S的大 小就代表着封头出口截面上的物流分配不均匀程 度,可表示为: 式中:qi为第i通道的质量流率;qa为n个通道的平 均质量流率。 图4揭示的是在不同平均雷诺数时,3种封头 结构出口截面各个通道物流分配不均匀的情况,经 比较可以发现:在3种封头结构中,曲面孔板结构的 封头分配特性最佳,平面孔板结构的次之,传统结构 的最差。传统封头的出口截面物流分配极不均匀, 出口最大的不均匀度出现在封头引管所对应的通 道,在雷诺数为1000时不均匀度Si达到0.56,而且 出口截面两端不均匀度也较大,其范围在-0.22— -0.28,总体不均匀度S达到3.47,而孔板封头总 体不均匀度有很大的改善,但平面孔板封头由于孔 板形状选择的不当,仍然存在分配不均匀的问题,总 体不均匀度S达到0.86,而曲面孔板封头各通道不 均匀度Si十分接近并且一致趋于0,总体不均匀度 S已减小到0.32。对比图4(a)、(b)还可以发现高 雷诺数造成封头更大的不均匀分配,传统、平面孔 板、曲面孔板封头的总体不均匀度S分别为3.78, 1.11,0.52。 将2种不同孔板封头结构的出口速度不均匀度及换热器压降随雷诺数变化的情况整理如 图5和图6所示。计算结果表明,对传统封头添 加孔板之后,孔板封头内部物流分配的不均匀情 况有了很大的改善。例如在雷诺数1000时,2 种孔板封头的出口速度不均匀度S都在1.0以 下。但2种孔板封头结构的分配性能存在一定 的差异,结构型式为曲面孔板封头的斜率最小, 随着雷诺数Re的增大,出口速度不均匀性增大 的速度较平面封头的慢,尤其在换热器的设计雷 诺数1000—3000范围内2种封头结构相比,S 值相差较大,曲面孔板封头显示出更为优越的分 配特性。 从图6可以发现,不同的孔板封头结构对封 头进出口压降的影响有较大的差别,平面孔板封 头的进出口压降最大,并且其压降随着雷诺数的 增大而急剧增大,尤其在高雷诺数区域;而曲面孔 板封头的进出口压降较小,而且其压降曲线随着 雷诺数的增大而变化的比较平缓,压降始终小于 平面孔板封头。 综合图5和图6的计算结果,可知曲面孔板封 头的分配效果要优于平面孔板封头,而且曲面孔板 封头更合理,它不仅使得封头的物流分配更均匀,而 且对流体的阻力更小。 3 计算结果与实验的比较 为了进行比较计算结果的正确性,本文按照实 验研究的数据处理方法重新整理了计算结果[5],并 将其与实验测量值绘制在同一图上。图7是传统封 头结构的截面出口流速沿封头长度方向的变化情况 (Re=500),其中通道编号对应实验测量中出口截 面分割的小区,每个通道的流体速度代表小区的平 均速度。从图7可以看出,模拟值和实验值表示出 相同的变化规律,并且数据吻合良好。 4 结论 (1)采用CFD数值模拟技术对板翅式换热 器物流分配特性进行数值研究,获得了板翅式换 热器的物流分配规律,计算结果与实验结果吻合 一致。 (2)不合理的封头结构造成板翅式换热器内部 物流分配极不均匀,并且随着平均雷诺数的增大,速 度分布不均匀性也随之增大。封头结构和雷诺数是 影响换热器物流分配的主要因素。 (3)首次提出在基本封头结构中添加曲面孔板 的孔板封头结构,研究结果表明,曲面孔板封头物流 分配的均匀性大大提高,在平均雷诺数为1000时,绝对不均匀度已从3.47减小到0.32。 
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