螺旋折流板换热器
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旋流片强化换热器壳程传热的数值模拟与实验点击：1909 日期：[ 2014-04-26 22:14:19 ] |
| 旋流片强化换热器壳程传热的数值模拟与实验 周水洪 邓先和 王杨君 李志武 (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：分析了一种新型的传热强化元件——旋流片作为管间支撑物时的流动与传热特性．应用周期性单元流道模型，对光滑管束间支撑物的强化传热进行了数值模拟和实验研究．采用重整化(RNG)，(一 双方程湍流模型，以SIMPLEC算法进行压力和速度的耦合，并采用强化壁处理法处理壁面，模拟了单元流道的流场与温度场，比较了空心环和旋流片的综合热力性能．结果表明：旋流片可以使流体作三维螺旋运动，起到强化换热的作用．两种旋流片的换热效果都优于空心环，但阻力损失也都大于空心环；小扭率的旋流片会引起较大的形体阻力，导致综合热力性能反而不如空心环；旋流片的结构参数是影响其综合热力性能的主要因素． 关键词：换热器；旋流片；强化传热；数值模拟；压力降 中图分类号：TK124 文献标识码：A 壳程纵流管壳式换热器是指应用新型的管束间支撑方式，使得壳程的流体基本沿纵向(轴向)流动的换热器．它与传统的折流板式换热器相比，具有流体诱导振动小，流动阻力小，抗结垢能力强、节材等优点．壳侧热阻在很多工业应用情况下起到控制热阻的作用，董其伍等 对折流杆式换热器进行了实验和理论方面的研究．Lutcha等 对螺旋折流板式换热器的水力和传热性能作了比较全面的研究，提出了优化参数．Deng等‘3 提出了空心环作为管束间支撑物的支撑方式，这种方式可以大幅减少折流损失引起的流体输送功，从而充分利用输送功来提高 管外换热系数，同时和强化传热管结合使用可提高壳程的综合传热强化性能．Ponweiser和Ray等 刮已经对螺旋型长扭带插入物进行了全面深刻的实验和理论研究，主要研究管内层流流动时的流动和换热性能．但是这种贯串整个传热管的螺旋扭带在提高换热系数的同时需付出较大的阻力损失．Saha等 研究了在管内间隔布置扭片插入物的流动和换热情况，对强化管内间隔插入旋流片作了结构优化的研究，发现旋流片能以较小的阻力损失为代价显著地提高换热性能．王杨君 比较了分别采用旋流片与空心环作为管间支撑物的壳程流阻与传热的总体性能比，发现旋流片可以获得比空心环更好的传热与流阻综合性能． 由于旋流片支撑管束纵流式换热器壳程结构及流体流动与传热的情况比较复杂，实验结果只能给出最终的宏观测量结果，对于壳程流动的细节信息和传热强化的机理需更进一步的了解，这将有助于对旋流片的结构形式进行优化研究．数值模拟方法提供了有效的研究手段，能较直观地得到换热器内部的流场和温度场的细节信息 J．本研究根据纵流管壳式换热器的壳程结构特点，采用周期性单元流道简化模型，通过模拟得到流道内湍流流动的速度场和温度场，并与实验结果进行了对比． 1 周期性单元流道模型 以管隙间无支撑物为比较的基准，研究外径为19 mm的光滑管束之间间隔布置几种支撑物的流动与传热特性．图l(a)和(b)分别是实验和数值模拟所用的空心环及旋流片的结构示意图．旋流片由短的金属片扭过一定的角度加工而成，定义扭过的角度为旋转角Ot，扭率Y：P／b(b为旋流片宽度，P为节距)，研究两种旋流片A(OL=180。，Y=2．0)和B(OL=270。，Y=4．25)． 工业应用的纵流管壳式换热器具有较大的壳体直径，换热管布管区域占壳体的绝大部分，壳程流体的流动和传热主要在布管区域进行．另外纵流式换热器一般采用正方形布管口J，因此根据对称性，在横截面上取四根传热管所形成的“单元流道”，如图2(a)所示．对于大型的壳程纵流换热器，大部分区域处于流动和传热的充分发展阶段，且流体在轴向流过多个管间支撑物，壳程流体呈周期性充分发展流动．因此以“周期性单元流道”为计算区域，如图2(b)所示，左图为空心环，右图为旋流片，每个周期性单元流道内布置一个管问支撑物，曲面为换热管壁． 2 数学模型及数值方法 对模型作如下简化和假设：(1)流体为常物性稳态流动，无内热源；(2)流体不可压缩；(3)流动和传热均已充分发展；(4)不考虑支撑物引起的传热面积增加．根据周期性单元流道模型，单相不可压缩流体稳态流动的质量、动量和能量通用控制方程为： 边界条件：(1)管壁及支撑物壁面满足无滑移边界条件；(2)实验过程中保证了加热管壁的恒壁温条件，因此管壁为恒壁温边界条件，单元流道的管问平面为对称边界；(3)流道内被加热流体为空气，进出口采用周期性边界．网格划分采用分体网格，并对壁面及旋流片下游的旋流区域进行加密处理．采用重整化(RNG)，(一 双方程湍流模型、SIMPLEC算法进行压力和速度的耦合，壁面处理采用强化壁面函数法 ． 为了得到网格独立的解【9 J，采用不同节点数的网格进行了初步计算，图3(a)给出了旋流片A的网格考核情况．综合考虑计算精度和硬件配置的实际情况，采用网格数如下：无支撑物时为176726，空心环为214294，旋流片A为330749，旋流片B为402779．图3(b)为旋流片A的局部网格示意图． 采用模拟与实验结果对比进行验证，分别对管问无支撑、空心环支撑和旋流片A支撑物作了模拟和实验值的比较，发现二者非常接近，变化趋势一致．阻力系数．厂的最大误差不超过7％ ，Nusseh数(Nu)的最大误差不超过5％ ． 3 结果与分析 3．1 流场和温度分布 单元流道横截面的流场分布如图4所示．空心环使流体产生了一定的扰动，即在空心环壁面附近，产生了径向流动．但是当流过空心环以后，流体很快又呈现较规则的平行流动(图4(a)的黑点表示流动方向垂直于横截面)，所以空心环的扰流作用是有限的．从图4(b)可以看出，旋流片使流体作三维螺旋运动，具有明显的切向速度，可以更充分地扰动流体，同时更有效地冲刷了传热管的外壁面．离开旋流片以后，流体虽然作衰减性的旋流运动，但能维持较长的距离，另外可以发现流道中心区域的速度要明显小于附近区域的速度，这样的流动使管壁附近 速度梯度增大．这些对于增强湍流度和减薄边界层从而增强换热都是非常有利的． 单元流道横截面的温度分布如图5所示．结合上述流场分析，可以看出流动形态的变化对流体温度分布的影响．由于空心环的扰流作用，使得空心环流道横截面的温度分布发生了一定的变化，但是在离开空心环之后，很快又呈现较规则的管束间的温度分布规律．在旋流片的流道中，流体作强烈的三维螺旋运动，导致壁面附近的温度梯度增大，传热的驱动力增强，有利于强化换热，而且这种影响在离开旋流片之后持续了较长的距离． 3．2 流阻与传热总体性能 图6(a)给出了Reynolds数( e)为7 000～19000时各种支撑情况下阻力系数的模拟值．可以看出，阻力系数均是随着 e数的增大而减小．有支撑情况下阻力系数要比无支撑时的大，空心环支撑时阻力系数要比旋流片支撑时的小．旋流片A支撑时的阻力系数比旋流片B支撑时的大．图6(b)比较了空心环和两种旋流片的Nu数，由图可见，支撑物的加入对管束问的传热起到了强化作用，且随着的e数的增大，强化作用增强．空心环作为支撑物时的传热强化作用要比旋流片时的弱一些，这种差距随着 e数的增大而增大．旋流片A要比旋流片B具有更好的传热强化效果，因此旋转角和扭率对旋流片的传热性能有较大的影响． 3．3 综合性能评价 根据文献[10]提出的传热强化性能的评价方法，采用下式计算综合性能评价因子． 式中：№ 和． 分别为无支撑时的 数和阻力系数；Nu 和．厂2分别为加入支撑物时的Nu数和阻力系数．综合性能评价以无支撑光滑管束为参照基准，77>1表示综合换热性能较无支撑时得到改善，77越大，则说明其综合换热性能越好．图7比较了三种支撑物的强化传热综合评价因子，可以看出，三条曲线均在叼=1的上方，表明三种支撑物均使得壳程的综合换热性能得到改善，其中旋流片B的改善效果最为明显，而旋流片A的综合性能不如空心环．随着m 数的增大，旋流片B的综合性能改善效果有所下降，旋流片A和空心环的改善效果有所上升．可见，旋流片的结构参数对其综合换热性能有决定性的影响．旋流片的强化换热主要是利用流过旋流片以后的下游的低阻高效的特点，在下游段流体作旋流运动，可有效冲刷壁面，强化换热，同时这一段没有旋流片的摩擦阻力和形体阻力损失，提高了综合换热性能． 3．4 两种旋流片的阻力损失分析 某种传热强化元件的加入，在明显增强换热性能的同时也会使阻力损失有较大的增加．但是从以上分析发现，旋流片B的传热性能要优于旋流片A，前者的阻力损失明显低于后者，导致旋流片B的综合换热性能要明显优于旋流片A，这和一般的规律有所不同．流道中流体作绕流运动的阻力可以分为粘性作用的摩擦阻力和压差引起的形体阻力．本研究采用数值模拟对两种旋流片作了局部的信息分 析，图8分别给出了它们的形体阻力、摩擦阻力以及总的阻力损失．从图中可以看出，旋流片B的摩擦阻力要大于旋流片A，但是形体阻力却比后者低很多，从而导致总的阻力损失要低于后者．根据定义，形体阻力是指作用在物体表面法向力的合力在来流方向的分量，旋流片B的扭率大于旋流片A，则旋流片表面法向和来流方向之间的夹角大于后者，表面法向力在来流方向的分量要小于后者，使得形体阻力也小于后者．扭率小的旋流片因为扭曲的程度较大，产生的形体阻力也较大，所以扭率是影响旋流片阻力损失的主要因素． 4 结论 (1)空心环和旋流片均增强了换热，但产生一定的阻力损失．两种旋流片换热效果都优于空心环，但阻力损失也都大于空心环． (2)空心环和旋流片的综合性能评价因子叼均大于1，综合换热性能较无支撑时得到改善，其中旋流片B改善效果明显，优于空心环，但旋流片A却不如空心环，这是由阻力损失过大所致． (3)通过阻力损失分析发现，小扭率的旋流片会产生较大的形体阻力，扭率是旋流片阻力损失的主要影响因素． |
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