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折流板换热器壳程流场数值模拟与结构优化
刘敏珊 董其伍 刘乾
(郑州大学热能工程研究中心 郑州 450002)
摘要:基于多孔介质与分布阻力的概念,采用FLUENT软件对单弓形折流板换热器的壳侧流场进行了三维数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。在此基础上针对折流板换热器壳程压降大、能耗高、存在传热死区等的缺点提出了壳程流场的改进方案,通过数值模拟可以看到壳程流场改进后不仅具有压降低、场协同性能好、基本无传热死区等特点,而且在一定程度还提高了管束抗流体诱导振动的性能。
关键词:单弓形折流板换热器; 数值模拟; 壳程强化传热; 节能
中图分类号:TK172文献标识码:A文章编号:1009 3281(2006)02 0024 05
单弓形折流板换热器广泛应用在能源、动力、核能、石油、冶金、制冷、化工等工程领域,但是这种传统换热器在折流板的迎风及背风面都存在着较大的涡流死区,而且这些大尺度涡流并非产生在传热界面上,对传热强化无显著的作用,对流体的输送功的有效利用极为不利,使得传统的单弓形折流板管壳式换热器显得传热效率低而且阻力损失大,所以提高单弓形折流板换热器的传热效率,减小其能耗损失具有十分重大的工程意义。随着计算机及CFD技术的发展,数值模拟技术成为新型高效换热器设计的得力工具。本文基于多孔介质与分布阻力的概念,对单弓形折流板换热器壳程流场进行了三维数值模拟并提出了消除传热死区、减小壳程压降降低能耗的方法。
1 壳侧多孔介质模型及其控制方程壳侧多孔介质模型[1]是指把壳侧流体的流动看成是流经多孔介质的运动,将管束对于流体的作用归结为多孔介质的两个控制要素,即体积多孔度与表面渗透率。体积多孔度是指控制体中流体所占的体积百分数。表面渗透率是指控制容积的表面上流体表面积所占的百分数。壳侧单相流动的体积多孔度控制方程为.
2 分布阻力模型
分布阻力[2～4]是换热器多孔介质模型中的重要参数,也是一个十分复杂的参数。分布阻力主要是从实验数据的拟合公式中求取,目前一般是利用一维纵掠管束和横掠管束的实验数据拟合公式来得到三维方向上的阻力。
在直角坐标系下,定义分布阻力的三个分量分别为u,v,w。其中u为纵向冲刷管束时的阻力分量,v、w为横向冲刷管束时的阻力分量且认为两者相等。采用的流动阻力关联式如下[5]。
对于纵向流动采用的阻力关联式为:
3 模型验证对一台具有4块折流板5个流程的单弓形折流板换热器进行了壳程压降和传热性能实验测定,测得8组实验数据,然后运用多孔介质模型对该换热器的壳程流场和传热性能进行数值模拟。该换热器壳程工作介质为空气,管程工作介质为水蒸气。折流板换热器的结构尺寸如下;
壳体内径 145mm
壳体长度 1900mm
换热管外径 14mm
换热管根数 37
管间距(正三角布管) 19mm
折流板数 4
折流板缺口弦高 30mm
实验结果与模拟结果如图1所示。由图1可知各向异性多孔介质模型能较准确地反映管壳式换热器壳程压降与流体温度升高情况,最大误差不超过15%。模拟值高于实验测定值是因为在折流板与换热管之间、折流板与壳体之间存在漏流现象。
4 运用多孔介质模型对单弓形折流板换热器的壳程流场进行优化
折流板换热器是广泛应用的换热器,但是壳程压降大、能耗高且壳程存在严重的传热死区,这大大降低了板式换热器的使用效率,因此研究如何降低
压降、减小或消除壳程传热死区具有重要的工程意义。王杨君等人[6]在减小传热死区方面提出了加入分隔板的概念,但是在加入分隔板后,壳程压降增大很多,换热器的能耗太大。通过数值模拟,可以看到壳程压降的大小在很大程度上取决于折流板缺口弦高。如果在改变折流板缺口弦高的同时再加入分隔板,若壳程的压降降低、壳程流场得到均化、壳程传热死区被消除,那么这种改进方案无疑是最好的。对这种壳程流场的改进方案进行了一系列的数值模拟,来验证改进方案的可行性。改进的换热器结构示意图如图2所示。
本文通过建立在阻力经验公式和多孔介质基础之上的计算模型来研究单弓形折流板换热器加入分隔板前后的流场和传热的变化情况,计算模型采用了周期性模型理论,湍流模型采用k ε湍流模型,用SIMPLE方法求解方程,采用一阶迎风差分格式。各模型结构的布管方式、布管数目及折流板间距均一样,仅改变分隔板、折流板的尺寸。
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