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螺旋隔板套管换热器壳程传热与压降的数值模拟点击：2071 日期：[ 2014-04-26 22:06:33 ] |
| 螺旋隔板套管换热器壳程传热与压降的数值模拟 1.肖兴 2.湛立智 2.张正国 2.高学农 (1．广州赫尔普化工有限公司，广东 广州 510725；2．华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东 广州 510640) [摘要]以水－润滑油换热为对象，对螺旋隔板套管换热器的壳程传热与压降性能进行了实验研究与数值模拟。通过威尔逊图解法获得了管程的传热系数，并计算出了壳程的努塞尔特准数。采用 Fluent 软件模拟了润滑油在螺旋隔板套 管换热器壳程层流流动时的流场、温度场以及传热与压降性能。结果表明，流体在螺旋隔板换热器的壳程流动均匀，在隔板附近没有返混和流动死区，但温度梯度最大。在相同雷诺常数下，壳程的努塞尔特准数和压降模拟值分别比实验值 高 1.3 %～8 %和 4 %～38.1 %，模拟值与实验值吻合较好。 [关键词]螺旋隔板；数值模拟；传热；压降 壳管式换热器广泛应用于化工、石油、冶金、动力及制冷等领域，传统的壳管式换热器都采用弓型隔板结构，这种结构的换热器壳程流体阻力、存在流动死区及旁路流和泄漏流，导致换热器的传热性能很低。螺旋隔板换热器是近年来发展起来的新型换热器结构，国内外许多学者对螺旋隔板换热器进行了大量的研究工作。Kral 等人[1]以有机玻璃的模型换热器为对象，采用染料作为示踪剂的“刺激－响应技术(stimulus-responsetechnique)”，研究了螺旋隔板换热器壳程流体的流动特性。结果表明：壳程流体类似于塞状流(plug flow)流动且几乎没有反混和流动死区。Wang Shuli[2]采用 LDA(laser doppler anemometry)技术对螺旋隔板换热器的壳程流场进行了测量，并研究了螺旋角的变化对流场的影响。总体来看，随着螺旋角的减少，线速度和脉冲速度增大，从而有利于促进传热，但流体的流动损失也增大。Andrews 和 Master[3]采用三维计算流体力学(CFD)方法对 ABB 公司制造的螺旋隔板换热器进行了性能分析，研究螺旋角分别为 10o、25o、40o条件下螺旋隔板换热器壳程流动与压降性能。结果表明，随着螺旋角的增大，流体更接近于塞状流，模拟的压降与 ABB 公司螺旋隔板换热器的传热关系式计算结果较吻合。邓斌等人[4]采用多孔介质、分布阻力模型、阶梯逼近技术对空气与水换热的螺旋隔板换热器壳程的流动进行了三维数值模拟，数值模拟结果表明，在相同的进口内径和进口流量条件下，螺旋隔板换热器的壳侧压降明显低于弓型隔板换热器，计算所得的进出口总压降与实验值之间的偏差大部分在14 %以下。张少维等人[5]采用计算流体动力学分析方法建立了水－水换热的螺旋隔板换热器的数学模型，并利用 CFD 分析软件 Fluent 模拟换热器壳程流动特性，得到了换热器壳程的流场分布，并与弓型隔板换热器壳程的流动特性进行了对比。李大为等人[6]以水－水换热器为对象，利用 Fluent 软件，对螺旋隔板换热器三维实体内的流体流动和传热进行了数值模拟，重点研究了湍流条件下换热器壳程流体入口的压降以及不同结构对压降的影响，并提出了入口结构的改进方法。 从目前的文献看，对螺旋隔板换热器壳程的传热与压降性能同时进行实验研究和数值模拟方面的工作未见报道。本文以水－美孚润滑油(Mobilther Light，603)换热为实验对象，对螺旋隔板套管换热器的壳程传热与压降性能进行了实验研究，并利用 Fluent 软件对壳程传热与压降进行了数值模拟。结果表明，模拟结果与实验结果吻合较好。 1 实验系统 实验流程如图 1 所示。它主要由螺旋隔板套管换热器、油箱、水箱和测量系统组成。润滑油在油箱中被加热到给定温度后，经油泵送到螺旋隔板套管换热器的壳程流动。来自水箱的冷却水在管内流动并与壳程润滑油呈逆流换热。实验部分冷却水和润滑油的温度由直接连接到电脑的数据采集仪(DataAcquisition/Switch Unit)获得；冷却水的流量用玻璃转子流量计测得，油流量用椭圆齿轮流量计及秒表计算得到，壳程的进出口压力差由 U 型管压力差计测得，油箱里的油温用恒温控制装置调控温度。 为便于固定螺旋隔板，需先将光滑管加工成螺旋槽管，隔板在管外沿螺旋购槽缠绕，如图 2 所示。将缠绕螺旋隔板的光滑管套入内径为 27 mm 的圆管内构成螺旋隔板套管换热器，隔板间距为 17.6 mm，螺旋隔板厚度为 1.2 mm，螺旋角约 400，隔板的外圆直径与外套管内径负偏差低于 1 mm，传热管有效长度为 570 mm。光滑管的参数为Φ16×1.5 mm，管内壁螺旋凸肋的高度宽度约为 0.5 mm。 2 壳程 Nu 数的计算方法 由于加工螺旋槽管，管内就形成了螺旋凸肋，因此管内水的对流传热系数未知，而且本实验中直接测量壁温来计算壳程传热系数很困难。在这种条件下，经常是采用威尔逊图解法[7]获得管内的对流传热系数，再计算出管外的对流传热系数。 图 3 为威尔逊图解法的实验结果，从图中可以得出螺旋隔板光滑管套管换热器的管程对流传热系数关系式如下： 3 数值模拟方法 利用 GAMBIT 软件生成螺旋隔板光滑管的几何模型，并进行网格划分。由于光滑管内壁有螺旋凸肋，结构比较复杂，故管壁和管内流体均采用四面体网格。壳程和螺旋隔板几何外形规则，采用六面体网格。网格数量分别为：管程 755897、壳程191620、螺旋隔板 15660，管壁 262103。网格划分见图 4。 本实验中，壳程 Re<2300，其流动为层流，因此设定粘性模型为层流模型；而管程流体 Re>10000，为旺盛湍流，则设定粘性模型为 k-epsilon (2-equation) RNG 模型。压力与速度采用SIMLPEC 耦合。 4 实验结果与分析 4.1 壳程流场与温度场 图5和6分别为x=0 mm、 y=－13.5～13.5 mm、z=500～565 mm位置处管程与壳程的温度等高图和速度矢量图。管程雷诺常数Re=19000，壳程雷诺常数 Re=2110。 从图 5 可以看出，在壳程的管壁和隔板处存在明显的温度梯度，且以隔板处温度梯度最大。从图 6 可以看出，由于油在壳程呈螺旋流动，流动比较均匀，在隔板附近没有流动死区，流动速度变化比较平缓，没有出现弓型隔板附近主流速度变化剧烈的现象。由于管程水流体呈旺盛湍流，流速方向很混乱。 4.2 实验结果与数值模拟结果的比较 图 7 和图 8 分别是壳程努塞尔特准数和压降的实验值与模拟值的对比。从图中可以看出，随着 Re 数的增加，Nu 准数和压降也在逐步增加，实验值与模拟值的增长趋势基本一致。在相同的 Re 数条件下，壳程的 Nu 准数模拟值比实验值高 1.3 %～8 %，而压降的模拟值比实验值高 4 %～38.1 %。其原因是由于 实验中的螺旋隔板因工艺条件的限制，不能加工成严格意义上的螺旋型，而模拟计算时，则隔板是严格意义上的螺旋形式，并且模拟时隔板与壳体之间没有泄漏，与管壁之间紧密接触，没有接触热阻，而实际中，隔板与壳体内壁存在一定的间隙，且隔板与光滑管壁还存在接触热阻。因此模拟出来的 Nu 数和压降都要要比实验值大一些。 5 结论 本文对螺旋隔板套管换热器的壳程流动与传热进行了数值模拟，并将模拟结果与实验值进行了对比。结果表明，流体在壳程螺旋流道内的流速比较均匀，在隔板附近温度梯度最大，没有绕流现象。在相同雷诺常数下，壳程的 Nu 准数和压降模拟值分别比实验值高 1.3 %～8 %和 4 %～38.1 %。模拟值与实验值吻合较好。 |
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