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纵流式换热器壳侧支撑方式的数值研究点击：1807 日期：[ 2014-04-26 22:31:56 ] |
| 纵流式换热器壳侧支撑方式的数值研究 1.汪淑奇,2黄素逸1 (1华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074;2长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙410076) 摘要:提出了一种纵流式换热器壳侧交错短杆支撑方式,并对光滑传热管束的交错短杆、短管、方形折流杆3种管间支承方式及波纹管束自支承、混合管束自支承方式,在流动与传热充分发展区段,采用湍流模型、六面体网格,运用商业软件ＦＬＵＥＮＴ进行了三维数值计算。对各种支撑方式在不同的支撑间距(Ｌｓ=4 56和9 13)、不同的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数(Ｒｅ=2630、13150、26300、52600)下的传热特性、流动阻力特性、支撑的可靠性进行了优化研究。得出了各种支撑方式的壳侧Ｎｕ、压降及综合指标-ｈ/(ＬΔｐ)与Ｒｅ的关系。 关键词:强化传热;数值研究;壳程纵流式换热器;管子支撑方式;压降中图分类号:ＴＫ124 文献标识码:Ａ文章编号:0438-1157(2007)05-1097-07 引 言 管壳式换热器在生活及各种工业中应用非常普遍,研究和发展新型强化传热技术,将会带来巨大的经济和社会效益。对管壳式换热器强化传热现已有大量的研究,方法也很多。尤其是对于管侧的流动与传热,无论是实验还是数值计算方面人们已进*行了很充分的研究。而对于壳侧的流动与传热的了解还不够深入、全面,远远满足不了实际应用的需要。这是因为壳侧布置灵活多样,实验难以包括各种支撑情况、运行参数与工质种类。壳侧流场范围大,数值计算也比较困难。但在很多情况下,壳侧的热阻对总的传热量起着决定作用。因此研究壳侧的强化传热具有重要的意义。 壳侧强化传热的主要方法可归纳为4类:(1)使用强化换热管束,如螺旋槽管、横纹管、缩放管等各种异型管;(2)利用传热面振动直接破坏边界层而获得传热的增强;(3)使流体产生脉动在大多数情况下可增强换热;(4)优化壳程的结构,如改变壳程挡板或管子支承物的形式,以减少或消除壳程流动与传热的滞留区,传热面积得到充分利用,利用空间中周期性的扰动加强混合及形成漩涡冲刷边界层,达到强化传热的效果。这种方式消耗于支承物上的动量很少,泵功率绝大部分用于增强传热方面,因此从能量利用来说是十分可取的。 管子的支撑方式不仅影响管子的振动性能从而影响受热面工作的可靠性,而且是影响壳程流动结构从而影响传热性能的主要因素。随壳侧所用的支撑方式的不同,壳程流体相对于管程流体的流动方向主要有横流式和纵流式两种。挡板式支承结构中,壳侧流体一般总体上是横向冲刷传热管,流体在壳侧流动时容易产生流动死角,壳程的传热系数低,易结垢,流体阻力大,并且当流体横向流过管束时,还容易引起管子的流体诱导振动,破坏管子与管板连接的可靠性。因此发展了各种使流动呈纵流式的管子支撑结构[1 2]。纵流式换热器管子支撑方式主要有以下几类。 (1)异形孔折流板 是改进的挡板支撑,使壳侧流动呈纵流式,如整圆形、矩形、梅花形孔或网状折流板换热器,但加工复杂,而且整圆形的抗振性能较差。 (2)折流杆 有多种类型的折流杆。普通折流杆是实心圆杆或方杆;带状折流杆则相当于空心的折流杆[3];波形折流杆相当于波浪形的折流杆[4]。美国Ｐｈｉｌｉｐ石油公司最早开发的折流杆换热器,以折流栅代替折流板,它的支撑结构是管间相间排列的一系列支撑杆。 (3)纵向短管支撑 如邓等[5]采用空心环管间支承物,用于支承横纹槽管等强化传热管束,并用空气作介质进行了实验研究。 (4)鳍片支撑 有连续和非连续的,分方形排列与三角形排列两种情况。周向绕丝管自支撑等。 (5)异形管束自支撑 如波纹管束利用波纹管的凸起相互支撑[6];波纹管与光管混合管束自支撑;椭圆扭曲管或变截面管自支撑;它们都是利用管子形状的改变来达到相互支撑和强化传热的双重功能,并同时强化管程和壳程传热[2]。 对新型支撑方式进行实验研究时,设备庞大、影响因素多,要想对每一种结构和工况都进行实验研究,工作量太大,以至难以实现,而且用实验方法无法看到结构对流体流动和传热微观上的影响。随着数值计算方法的发展和各种模型的逐步完善以及实验数据的积累,许多学者对换热器壳侧单相流动进行了大量的数值研究[7 10],但这些模型过于简单,局限于层流,没有考虑管束及其支撑物产生的湍流及其耗散。大多数文章都是解连续的Ｎａｖｉｅｒ Ｓｔｒｏｋｅｓ方程,并采用Ｐａｔａｎｋａｒ和Ｓｐａｌｄｉｎｇ提出的分布阻力、体积多孔度及Ｓｈａ等提出的表面渗透度的概念来处理壳程内固体物的影响。壳侧的管子、隔板、挡板等看成是多孔介质,流体在壳程的流动看成是在多孔介质内的流动。利用多孔介质模型计算得到的壳程各节点上的流速只具有某种平均意义,并不能反映在各管子之间流动的细节。而且分布阻力系数等必须由实验给出,不能应用到换热器壳侧新型支撑方式的研究及支撑方式的优化研究中。 本文对纵流式换热器壳侧在光管管束的交错短杆支撑、短管支撑、方形折流杆支撑,及波纹管与普通管混合管束自支撑、波纹管束自支撑方式下壳侧的传热与阻力性能进行了数值研究。这几种支撑方式都具有壳侧阻力小,除波纹管外支撑物与传热管接触均为线或面接触形式,抑制振动能力强的特点。采用了三维、湍流模型进行了流动与传热的数值计算。并对同样条件下光管无支撑时的传热与阻力数值计算结果与经验公式计算结果进行了比较。 |
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