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管壳式换热器新型支撑结构的数值模拟点击：1954 日期：[ 2014-04-26 22:21:51 ] |
| 管壳式换热器新型支撑结构的数值模拟 周水洪 邓先和 (华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室) 摘要：提出并分析了一种新型的传热强化元件——旋流片作为管束间支撑物的流动与传热特性。在实验研究基础上，应用周期性单元流道模型，数值模拟了空心环和旋流片支撑时的湍流流动和传热性能。结果表明，空心环和旋流片均增强了换热，但都产生一定的阻力损失，特别是旋流片可以产生较大的形体阻力。周期性间隔布置的旋流片能产生衰减性的自旋流，有效冲刷壁面和增强扰流，换热效果优于空心环，具有较好的综合强化换热性能。 关键词：空心环旋流片换热器数值模拟 引 言 管壳式换热器是化工、能源、轻工等行业的关键通用设备。壳程纵流管壳式换热器是指应用新型的管束问支撑方式，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，能有效控制雷诺数较大时换热管束的流体诱导振动，减小流动阻力，同时具有抗结垢能力强、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作用，强化壳侧传热具有非常现实的意义。邓先和等人提出了利用空心环作为壳程管隙问支撑物⋯ ，这种支撑方式可以大幅减少折流损失的流体输送功，将输送功用来提高管外换热系数，同时和强化传热管结合使用以提高壳程的综合传热强化性能。Al—Fa—hed S、Date A W和Bergles A E等人已经对螺旋型长扭带插人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。但是这种贯穿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为代价。Saha S K等人研究了在管内间隔布置扭片插人物的层流流动和换热情况 】，得出旋流片能以较小的阻力损失为代价显著地提高换热性能，可见在管内间隔布置旋流片具有较好的整体强化换热性能。因此以间隔布置的旋流片作为管隙间支撑物也将起到较好的作用。已经实验 研究了分别采用旋流片与空心环作为管间支撑物的换热器壳程流阻与传热的总体性能对比，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，采用数值模拟方法可以进一步研究壳程流动细节信息和纵向涡传热强化机理，有助于进行优化研究。 1 模型建立 图1所示，在019×1．5的光滑管隙间间隔布置支撑物。空心环由金属圆管截成一定的长度而成，旋流片由短的金属片扭过一定的角度加工而成。纵流管壳式换热器具有较大的壳体直径，根据对称性，在横截面上取四根传热管所形成的“单元流道”。流体在大部分区域处于充分发展阶段，且轴向流过多个管间支撑物，呈周期性充分发展流动，以“周期性单元流道”为计算区域(如图1)。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。 2 数值方法 单相不可压缩流体的稳态流动控制方程为：质量守恒方程： 网格划分采用分体网格，采用重整化(RNG) 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" 。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，单元流道的管间平面为对称边界；③流道内被加热流体为空气，进出口采用周期性边界。采用实验结果 和模拟值进行对比验证，模拟值和实验值非常接近，变化趋势一致。阻力系数∽ 的最大误差不超过7％ ，Nu数的最大误差不超过5％ ，因此模型选择和网格划分是可靠的。 3 结果及分析 3．1 流动性能 从两种支撑物单元流道内的流线看，流体经过空心环时，被分割成两部分，发生扰流现象，在空心环的内外壁面和下游区域流体运动方向发生改变，在增强湍流度的同时使得流体冲刷了壁面，但是，空心环的扰流作用在下游的持续距离比较短。当流经旋流片时，流体在螺旋型流道内受迫做螺旋流动，由原来的一股流体分裂成两个对称的螺旋流。由于流道面积的减小及曲面的变化，流体得到充分扰动，提高了湍流度，并且产生明显的周向和径向流动，有效地冲刷壁面，减薄了边界层。当流体离开旋流片后，流体进人自旋流状态，随着距离的延长，两个螺旋流逐渐合并成一个大的纵向涡，且持续的距离很长。流体做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。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，旋流片表面呈现螺旋扭曲，则旋流片表面法向合力和来流方向之间夹角的余弦大于零，所以产生较大的形体阻力。由于空心环在和主流垂直截面上的投影面积很小，形体阻力较小。根据图2，在旋流片以后，有较长的尾迹区，尾迹区有强烈的不规则漩涡，漩涡运动会不断地消耗流体的动能，造成局部压强较低，因此旋流片前后的压差较大，造成形体阻力较大，而空心环时的尾迹区很短。另外，旋流片时流体剧烈冲刷壁面，造成壁面附近的速度梯度较大，使得壁面的摩擦阻力也比空心环时大。所以，旋流片时的阻力损失要比空心环时大，和实验结论 一致。 3．2 传热特性 由于空心环的扰流作用不如旋流片强烈，强化换热作用相对比较弱，Nu数分布也比较均匀。图3显示了旋流片区及下游自旋流区壁面的等值线分布，Nu数分布极不均匀，且出现最大值。离开旋流片以后，流体进人自旋流阶段，自旋流仍能有效地起到扰流和冲刷壁面的作用，随着自旋流作用逐渐衰减，Nu数减小，但仍然维持在较高水平。图4比较了两者在不同 e数时的Nu数，可以看出空心环Nu数比无支撑物时高，起到一定的强化换热作用，但比旋流片时低，旋流片具有很好的强化换热作用。 3．3 综合性能 传热强化元件的加人在增强换热的同时也会增加阻力损失。综合考虑两方面，采用相同泵功耗条件下的强化因子 J， 性能没有得到改善。图5比较了在不同 e数时的综合性能，两者都能以较小的阻力增加为代价而提高换热效果。特别是旋流片的综合性能最好，虽然旋流片有较高的阻力损失，但是旋流片使流体产生三维剧烈螺旋运动，能极大地提高换热效果。 图4 Nu数比较 4 结论 (1)空心环和旋流片都能起到扰流作用，增强了换热，产生一定的阻力损失。旋流片换热效果优于空心环，但阻力损失大于空心环。 (2)空心环和旋流片的综合性能评价因子均大于l，旋流片因产生低阻高效的自旋流，综合性能优于空心环。 |
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