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管壳式换热器换热性能的数值模拟研究点击：1870 日期：[ 2014-04-26 22:14:19 ] |
| 管壳式换热器换热性能的数值模拟研究 张东生 杜扬 陈思维 (后勤工程学院军事供油工程系，重庆400016) 摘要：在水的雷诺数成从1900～25000范围变化的情况下，选择换热效果比较好的q~25／19波纹管，并对其换热性能进行了数值模拟与实验研究。结果显示波纹管的换热系数是直管的1．1～1．8倍，且随着雷诺数的增加，倍数值逐渐减小；波纹管的压降损失是直管的2～3倍。 关键词：波纹管；模拟；钻孔 中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1002—6339(2006)05—0421—04 近几年来随着我国经济的快速发展，能源紧张的问题也越来越突出，如何采取更有效的节能措施和设计更先进的换热设备已成为摆在我们面前的两项难题。波纹管作为一种新型的换热元件，它与普通直管最主要区别在于它的异形表面可以同时强化管内外流体，而且在低雷诺数的情况下，换热效果明显优于直管。 由于换热器内流体流动和传热相当复杂，长期以来，管壳式换热器的流动与传热设计都是实验的方法，虽然这种方法具有直观、真实、可靠的特点，但也存在很大的不足，特别是波纹管管壁温度的测量总是存在着一定的误差，造成换热系数的不准确，因此有必要利用软件模拟的方式来考察其性能，以便为进一步强化其换热能力提供依据。 1 波纹管尺寸图和换热原理分析 提高换热系数主要途径是减薄粘性底层的厚度和降低换热器污垢热阻。可以通过提高流体的流速，使流体中的杂质不易沉积；或者改变流道的形状，让流体不停地冲刷换热管的壁面，使得流体中杂质无法在壁面停留。由于波纹管是通过特殊加工方法制成的一种高效强化传热元件，在传热过程中可起到双面强化作用。截面的周期性变化，使得流体的速度不断地变化，管内外流体总是处在规律性的扰动状态。流体在直管段内积累能量，在弧形管段内释放能量，周期性的能量积累与释放过程使整个换热管内外表面都受到流体的冲刷，撕裂边界层，并阻碍污垢层的形成，从而使波纹管内外表面的传热均得到明显的增强，换热器能够实现长期而稳定的强化换热[I】。 2 实验装置总体图 原理和用途：燃油和定比空气反应后产生由氮气、二氧化碳、少量一氧化碳和氧气组成的混合气体，通人燃烧区以降低该处氧气浓度，该装置主要用于矿井和油库灭火。实验总体装置如图3所示，主要由风机、燃烧室、供油装置、温度测量系统、流量计等组成。波纹管内通水，壳程通烟气，温度由铜一康铜热电偶测量，每个横截面上均匀布置4根热电偶。 3 铜一康铜热电偶的焊接 由于本实验所用波纹管采用不锈钢材质制作，普通锡焊的方法，很难将热电偶焊牢，从而造成虚焊、脱焊现象，致使有时测得是烟气或水的温度，而非管壁温度。用冲击电弧焊的方法焊接热电偶很容易使其脱落。银焊虽能焊牢，但因温度过高使得热电偶脆化，影响了实验精度，而且还有可能使波纹管焊透。用普通的黏合剂使得波纹管面附上一层传热性能不好的热阻，从而也影响实验精度。而乙炔一氧气焊虽能将黄铜焊接到波纹管上，但此时如果不采用压埋法(不锈钢的延展性比较差)，测量的温度也有一定误差。我们通过在波峰上钻带螺纹的孔， 将熔化的黄铜添进孔中，待黄铜冷却后，用普通钻头钻孔于黄铜中，将铜一康铜热电偶放进孔中，用锡填充其余空间，最后用砂纸将此处打磨平整。由于黄铜优良的导热性能，所以对测温不会造成太大的误差，而且锡也容易附着于黄铜表面，这样既解决了不锈钢难焊接问题，又没有带来太大的测温误差。最后，在焊接点及其周围涂抹环氧树脂，以提高实验精度。 4 换热器基本计算公式 波纹管内水吸收的热量按下式计算： 定解条件：实验环境温度为20℃，介质为烟气和水，流动类型为逆向流动。壳程烟气进口流量为18 m3／h，进口温度为450 K，同时假定烟气的物性不随温度变化，取密度』D=0．8 kg／m3，定压比容C=1100 kJ／(kg·oC)，导热系数0．03 W／(In·K)；管程水进口温度为300 K， 流量范围为0．102—1．34 m3／h，雷诺数1900—25000。 6 数值模拟结果 采用GAMBIT建立几何模型，对管程和壳程进行网格划分及边界条件的设置[3_。利用FLUENT软件导入GAMBIT前处理结果，湍流模型采用湍动一耗散率模型，波纹管壁面采用coupled方式，其余壁面热流量设为0。 从图4和图5的比较可以看出，当水的雷诺数处于层流状态时，波纹管的换热性能明显要强于直管，但随着雷诺数的增大，换热性能逐渐接近，如图6和图7所示。分析其原因主要是由于层流时直管内流体主要依靠导热传递能量，而波纹管内由于波峰和波节的存在，管内流体在很低的雷诺数的情况下也处于强烈的扰动状态，使得壳程烟气等温线变化比较明显；当雷诺数逐渐增加时，两种管管内流体都处于湍流状态，波峰和波节的作用被削弱，故此时换热性能逐渐接近。 从图中可以看出，在雷诺数从1900—25000之间，实验值与模拟值吻合得比较好。在雷诺数低于23000时，波纹管的换热系数要高于直管的，但在23000以后，波纹管与直管的换热系数和努塞尔数大体相当；摩擦系数随着雷诺数的增大而增加，且都在2—3倍之间。 8 结论 (1)波纹管在换热系数提高的过程中，所需要耗费的功率也要相应提高，且伴随流速而升高。这就使得我们不得不考虑在提高换热效率的同时也要兼顾压降的减小的程度，选取具有工业应用价值的波纹管。 (2)随着能源紧缺程度的加剧和人们节约意识的增强，用软件模拟新型高效换热元件是一种节省材料，降低成本的有效方法。 参考文献 [1]金志浩，等．波纹换热管管内强化传热实验研究[J]．ENERGY CONSERVATION，2004—11—17． [2]li福军．计算流体动力学分析[M]．北京：清华大学出版社，2004． [3]l'luent 6．2帮助[z]． [4]唐晓寅，杜扬，等．工程流体力学[M]．后勤工程学院出版社，1997． [5]闫大桂，等．工科研究生应用数学基础[M]．北京：高等教育出版社，2001 |
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