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梅花形孔板支撑换热器壳程流场的数值分析点击：1865 日期：[ 2014-04-26 22:21:32 ] |
| 梅花形孔板支撑换热器壳程流场的数值分析 戴玉龙 李志安 王翠华 陈玉博 (沈阳化工学院机械工程学院，辽宁沈阳110142) 摘要： 提出了梅花形孔板支撑换热器壳程的单元简化模型，应用CFD软件FLUENT对换热器进行数值分析，得到流场、温度场的细观信息，通过不同跨距折流板的数值模拟，拟合出相应公式，为梅花形孔板支撑换热器的结构优化设计提供了依据． 关键词： 孔板支撑； 换热器； 壳程； 数值分析 中图分类号： 0351．2 文献标识码： A 梅花形孔板支撑换热器是一类新型纵向流换热器，在电站、石油化工等工业领域有广泛的应用前景_l J．它采用管壳式换热器的结构，属整圆形折流板的一种，用有多孔的整圆形孔板代替传统的单弓形折流板或新型的折流杆，既能支撑管子，又能使介质流过折流板．当介质流经折流板管孔时，能产生射流，对管子有冲刷和自洁作用，此外还具有压降低，传热性能好，能使管子得到充分的支撑，防振性能良好的优点．由于孔板支撑换热器壳程内部结构的复杂性，传统的研究方法都是采用实验_2 J．通过实验数据拟合出传热阻力、压力降计算公式用于工程设计，但目前还缺乏系统的理论研究．本文采用CFD(计算流体动力学)软件FLUENT数值模拟的方法探究孔板支撑换热器壳程流动状况，通过对梅花形孔板支撑换热器进行合理简化，提出了该换热器壳程的单元简化模型，并对其进行了流场和温度场的分析，这将有利于孔板支撑换热器壳程结构的改进，对进一步提高换热器的性能具有重要意义． 2 几何物理模型及单元流道简化模型 从几何上看，梅花形孔板支撑换热器除管壁附近区域外，管子在壳程中呈对称分布，呈正三角排列．如取3根管子所包围的流体流动空间为一个单元流道 5，则梅花形孔板支撑换热器壳程可看作是由多个均匀分布的平行纵向流道组成．梅花形孔板换热器壳程流体的主流是沿各个“单元流道”的轴向流动，与管程的多管一维流动类似．为适应计算机内存的要求，又能反映换热 ①各流道之间流体互不影响； ② 忽略壳程进、出口的影响； ③ 流道的壁面和支撑结构的表面采用无滑移的边界条件； ④流体的物性均为定值，即密度、黏度等参数不随温度和时间发生变化； ⑤流体为不可压缩，且流动为稳态．以进口速度l m／s、跨距100 mrn为例，对梅花形孔板支撑换热器壳程单元流道进行数值模拟，结果见图3、图4． 从图3中可看出，流体从左到右基本上呈纵向流动状态．当流体流经孔板时，由于孔板的阻挡，在孔板的前后区域流速较低．接近孔板处，流体向孔板的开孔处流动，流动方向发生变化，使三管中心处的流体向靠近管壁处流动，由于开孔处的截面面积减小，流体流动速度增大．管壁与孔板之间的开孔间隙通道对流体可产生射流作用，使流体离开孔口很快就形成湍流，对管子有冲刷和自洁作用．随着射流沿程流道横断面的扩大，射流起的强化传热作用不明显． 从图4温度等值线可以看出，流体在流经孔板后，由于孔板对流体的扰动，流体在流经孔板后的部分区域内，图上颜色变化明显，说明在该区域内传热效果好，随着流体流动位置的前移，远离管壁处颜色变化不明显，故传热效果较管壁处差．在孔板处由于流体产生射流，流速增加，因而不断减薄了流体在管壁处形成的边界层厚度并对周围流体产生卷吸作用从而产生局部混合，因而在较低的雷诺数下，壳程流体即可达到局部湍流，从而更有利于传热． 但是，只对云图的直观比较很难描绘出其具体规律，在某些地方也无法具体确定出其具体效果，以及孔板跨距等因素的不同对传热的影响．为此，本文对梅花形壳程纵流换热器孔板间距分别为100 mm和150 mm的换热器进行数值模拟，以进口温度相同，进口流速不同的5种情况进行分析，其中定性温度采用进、出口温度平均值的算数平均值．通过数值模拟计算，将理论计算的相关结果数据导出，再利用适当的数据处理软件(Excel、origin等)对这些数据进行处理并绘制出图5所示的mlg-Re关系曲线图． 对于单相流体水的稳态强迫对流换热，其准数关系式为：Nu f(Re，Pr)，由于水在平均温度下的Pr数可认为是常数，因此其准数关系式为：N“= f(Re)．根据图5可拟合出相应的Nu—Re关系式： 当 =100 mm时，Nu=0．132 3Reo· 钉，当fr=150 mm时，Nu=0．071 48Re~·68o 07．结合图3、图4、图5，得出如下规律：在其他各种因素均固定的条件下，单元流道中流速对壳程换热器的传热影响较大．流速越高，传热效果越好．随着 的增大，流体减薄了在管壁处形成的热边界层厚度，从流道壁面带走的热量增多，从而Nu数增大．在同一流速下，孔板间距从150 mm减到100 mm 时，换热量增加，传热膜系数的值也大约增加1．2倍． 4 结论 (1)根据梅花形孔板支撑换热器的结构特点及流动特点，提出了单元简化模型计算方法，并对该模型进行了数值模拟计算． (2)通过对梅花形孔板支撑换热器壳程单元流道的数值模拟，可清晰地看到壳程的流速分布和温度分布情况，从而证明数值分析的可行性． (3)通过对跨距不同的梅花形孔板支撑换热器的壳程流体进行数值模拟计算，从数值模拟结果中可得出，孔板间距对流速与传热的影响较大，较小的间距有助于传热，并且拟合出相应的Nu—R8关系式． 参考文献： [1] 钱颂文，岑汉利，江楠，等．换热器管束流体力学与传热[M]．北京：中国石化出版社，2002：98—99． [2] 曾舟华，钱颂文．低传热“死区”异型孔板纵向流管壳式换热器传热研究[J]．化工设备设计，1997，34(2)：15—17． [3] 高学平．高等流体力学[M]．天津：天津大学出版社，2005：136—137． [4] 王定标，胡祥报，郭茶秀，等．大型纵流壳程换热器三维流动与传热数值模拟[J]．郑州大学学报(工学版)，2002，23(3)：13—18． [5] 董其伍，吴金星，刘敏珊，等．孔板支撑换热器壳程流场的数值预测[J]．压力容器，2003，20(8)：4—7． [6] 张也影．流体力学[M]．北京：高等教育出版社，1998：243． [7] 吴金星，魏新利，王定标，等．杆式支撑换热器壳程性能数值分析及改进设计[J]．炼油技术与工程，2003。33(7)：24—27． |
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