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换热器壳程三维数值模拟及场协同分析点击：1863 日期：[ 2014-04-26 22:14:05 ] |
| 换热器壳程三维数值模拟及场协同分析 孔松涛 董其伍 刘敏珊 (郑州大学热能工程研究中心) 摘要：为了分析换热器整体场协同关系，利用多孔介质分布阻力模型和换热器核心模型，采用三维数值计算的方法研究管壳式换热器的流动与传热，分析了换热器壳程场协同和传热效率的关系，以及壳程纵向流动和横向流动的场协同角随流速的变化规律，为优化换热器设计提供了理论基础。 关键词：换热器壳程 场协同 数值模拟 优化 引言 1998年过增元教授从二维边界层的能量方程出发，提出场协同理论⋯ 。随后文献[2]中将这一分析推广到椭圆形的流动与换热，证明了对于Prandfl数不是很小的流体，减小速度矢量与温度梯度的夹角也是强化椭圆形对流换热的有效措施。文献[3]也在传统折流板换热器的场协同研究上，做了有益的探索。 就目前文献看，管壳式换热器的数值计算一般采用“单元流道” 模型 和基于多孔介质模型的整体模拟。但是，这2种模型在计算换热器整体场协同情况下，均有一定的缺陷：“单元流道”模型虽然能够表示换热器的压降、流动特性以及传热特性，但是因为缺乏整体温度场，而且由于使用周期模型条件，使其不能计算最常见的变管壁温条件，所以不能反映整个换热器的场协同关系；基于多孔介质模型介质模型虽然能够比较理想地反映整体流场，但是其能量方程源项几乎无法正确估计而导致计算误差较大，不能正确反映实际情况。鉴于这2种模型的局限性，笔者采用多孔介质分布阻力模型作为换热器壳程流场计算模型，引人换热器核心模型作为能量方程模型，可以很好地解决上述问题。换热器核心模型还能很好地解决多管程、多壳程换热器模拟等问题，为工程提供有益的研究方法。 理论基础与模型 1．多孔介质分布阻力模型 鉴于现有计算机软硬件条件，对换热器按实际壳程的流动换热情况进行模拟是不现实的。多孔介质分布阻力(distributed resistance)概念由Patankar和Spalding于1974年提出，并完成换热器壳程流场的模拟。后来发表大量论文发展了这一思想，目前成为换热器壳程流动整体模拟的主要方法。多孔介质的动量方程是在标准的动量方程基础上附加动量源项而得到的。 上式负号表示动量源项与流体流动方向相反；．Si是 X，y，z方向上的动量源项，等式右边第一项是粘度损失，第二项是内部损失项。D和C分别是特定的矩阵。 2．换热器核心模型 为了计算换热器壳程传热，必须考虑管程和壳程的实际传热情况。在换热器核心模型中，将计算区域流体定义为主流体，把进行热交换而未体现在流动计算的那部分流体定义为辅助流体。在本文中，定义壳程流体为主流体，管程流体为辅助流体。 在换热器工作过程中，热量传递在整个换热器中并不是恒定不变的。换热器核心模型将流体区域沿着流体流动方向划分成多个传热单元，计算出每个传热单元的流体进出口温度和热量传输情况，从而得到整个换热器的传热分布情况，见图1。 数值模拟方法 数值模拟以折流板、折流杆和螺旋折流板换热器壳程为例，建立多孔介质阻力模型和换热器核心模型。3种模型代表最典型的管壳式换热器壳程流动情况。为方便验证模拟结果的正确性，依照实验室已有的折流板和折流杆换热器建立计算模型。由于缺乏螺旋折流板换热器试验平台，只是按照实验室换热器同等条件建立模型，计算结果供参考。 测得10组实验数据。运用多孔介质和换热器核心模型计算，图2显示折流板换热器试验结果与模拟结果的对比关系。 从图2可以看出，模拟数据和试验数据基本符合，多孔介质和换热器核心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，模拟压降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。 表1显示折流杆换热器试验与模拟结果。从表1和图2可看到，多孔介质阻力模型和换热器核心模型能够客观反映实际情况，特别是换热器核心模型，同试验结果很接近，计算精度好于其他方法。 算例、结果及分析 对3种管壳式换热器的几种工况进行了数值计算，自行编制程序提取速度场与温度梯度场的夹角关系。自编程序框图见图3，计算结果见表2。 从表2看到，折流板和折流杆换热器壳程场协同角随流量变化的趋势不同。前者随流量增加而场协同情况变差，后者正好相反，这种趋势都随流量的增加而逐渐趋于平缓；螺旋折流板也随流量的增加而场协同关系有所好转，这可能和螺旋折流板有较强的纵向流有关。由此可见，纵向流动更适于流速较高的情况，而横向流动适合于流速较低情况。文献[8]中证实，纵向流动有最佳的热力和水力效率，通过场协同关系也有很好的解释。 在换热器核心模型里面，定义传热效率表示每个传热单元的热效率，定义式为 用多孑L介质和换热器核心模型计算一个在役的U形管折流板换热器，其主要工艺参数见表3。换热单元划分见图1。计算并分析其传热单元效率和壳程场协同角关系。 图4显示出传热单元效率与场协同角之间的关系。由于0～9单元呈逆流，10～19单元呈顺流，传热效率差异明显，相应的场协同角也呈现相应的规律。可见，在换热器壳程流动和传热中，分析其场协同角关系，有助于优化换热器的壳程设计。 结 论 (1)采用各项异性多孑L介质和换热器核心模型构成的换热器整体三维模型，既可很好地预测壳侧的压降，还解决了多孑L介质对换热器传热预测的不准确。与以前文献中采用的数值模拟方法相比，笔者提出的算法更为合理，它对多管、壳程等复杂换热设备的模拟是其他方法不能比拟的。 (2)结合试验分析管壳式换热器的场协同角与流量关系，发现横向流动在小流量下场协同关系较好，而在大流量下，纵向流动是更好的选择。 (3)分析了传热单元与场协同角之间的关系，指出结构中哪些部分需要改进。如增加导流筒等措施，可以改进换热器场协同关系，提高传热效率，为优化换热器的设计提供有力依据。 |
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