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组件式螺旋管换热器壳侧流场的计算

点击:2092 日期:[ 2014-04-26 22:05:51 ]
                                组件式螺旋管换热器壳侧流场的计算                                      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:TK172文献标识码:A 文章编号:1000-0054(2009)03-0397-03 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[1-2]。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,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Φ900 mm的圆形入口进入Φ2956mm×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Φ3906mm×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Φ218mm×2290mm,相邻组件间中心距为 494mm。实际上,组件的壳侧入口位于侧面,因此本 文在组件上方60mm高处相应地添加了Φ218mm ×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Φ62 mm,外径为Φ218mm。其中沿环形区域径向由内向 外分别由2、3、4根Φ18mm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41.40kg/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[4-5]。 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[6]。 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。 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[7]。 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Q为质 量流量,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,n为管层编号。 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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