管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬

1、    管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬                         更新時(shí)間：2010-02-04 13:21:17              

2、60;                                              謝洪虎  江楠

3、0;                     (華南理工大學(xué)化工機(jī)械研究所,廣東廣州510640)    摘要：為了研究縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程流體湍流流動(dòng)與換熱的工作機(jī)理,文中利用FLUENT軟件,在殼程 流體流速設(shè)定值不斷改變的情況下,對(duì)縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動(dòng)與換熱進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。得 到了多螺旋流管殼式

4、換熱器在不同的殼程流體流速下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、質(zhì)點(diǎn)跡線圖、殼程傳熱膜系數(shù)分布圖等。 根據(jù)模擬得到的結(jié)果,從多個(gè)方面對(duì)縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了探討。模擬結(jié)果 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,二者誤差約在±11%以內(nèi),吻合良好。    關(guān)鍵詞：螺旋扭片;縱向多螺旋流管殼式換熱器;三維數(shù)值模擬    中圖分類號(hào)：TK 124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-9954(2009)09-0009-04    應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)模擬

5、管殼式換熱器無(wú)相變殼程流場(chǎng),最早是在1974年提出,但由于當(dāng)時(shí)受到計(jì)算機(jī)與計(jì)算流體力學(xué)條件的限制,研究進(jìn)展 緩慢1。20世紀(jì)80年代以來(lái),換熱器數(shù)值模擬研究才有了較快的開展。對(duì)于國(guó)內(nèi)外換熱器數(shù)值模 擬研究,采用二維研究的較多2。三維研究方面, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了很多工作,特別是對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu) 的管殼式換熱器換熱性能數(shù)值模擬研究,國(guó)外較多學(xué)者采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)的換熱管或者管程內(nèi)插物來(lái)模擬研究其對(duì)流體流動(dòng)與換熱的影響,例如:螺旋 槽管、波紋管、內(nèi)插螺旋紐帶等。然而,國(guó)外和國(guó) 內(nèi)的學(xué)者很少有人用數(shù)值模擬的方法去研究插入 物插入管殼式換熱器殼程

6、而不是管程時(shí)其對(duì)換熱器綜合換熱性能的影響。    殼程換熱管之間插入螺旋扭片,螺旋扭片的 插入可以有效地改變殼程流體的流動(dòng)形式,使殼 程流體產(chǎn)生多股自螺旋流的復(fù)雜流動(dòng)形態(tài)3,有 效提高換熱管束壁面的流體速度,實(shí)現(xiàn)不同殼體 半徑處流體的充分混合,從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目 的。本文利用FLUENT軟件對(duì)這種新型縱向多 螺旋流管殼式換熱器的殼程湍流流動(dòng)及換熱進(jìn) 行了三維數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結(jié)果并對(duì)這種利用 螺旋扭片強(qiáng)化換熱器殼程流體換熱的機(jī)理進(jìn)行 了有益的探討。 &#

7、160;  1模擬模型    模擬采用的換熱器為單管程、單殼程和螺旋扭 片結(jié)構(gòu)。換熱器以正方形布管,圖1為螺旋扭片的 Pro/e三維立體示意圖。圖2為換熱管與螺旋扭片 之間定位關(guān)系示意圖。                        由于縱向多螺旋流管殼式換熱器的殼程

8、結(jié)構(gòu)比 較復(fù)雜,采用四面體網(wǎng)格劃分,管程采用六面體網(wǎng)格 劃分。此模型中邊界類型有4種:進(jìn)口、出口、管壁 和殼壁4-5。模擬模型的數(shù)學(xué)形式建立時(shí),主要考慮 設(shè)置管程、殼程內(nèi)流體滿足控制守恒的連續(xù)性方程、 質(zhì)量方程、動(dòng)量方程以及能量方程等。因殼程流體 處于湍流狀態(tài),進(jìn)一步設(shè)置湍流k-模型。相關(guān)設(shè) 置完成后,進(jìn)行了迭代計(jì)算,每次迭代210次左右 時(shí),計(jì)算收斂,進(jìn)行其殘差曲線的分析。    2數(shù)值模擬的結(jié)果分析及討論    總共模擬了7組實(shí)驗(yàn)數(shù)

9、據(jù),模擬時(shí)殼程為熱流 體,進(jìn)口溫度為60,管程為冷流體,進(jìn)口溫度為 20。管程流體流量恒定為8 m3/h,殼程的流體流 量開始為5 m3/h,然后以1 m3/h為梯度進(jìn)行增加, 直到11m3/h。以下是以殼程流體流量為9m3/h進(jìn) 行模擬時(shí)得到的模擬結(jié)果。    2.1溫度矢量場(chǎng)圖    圖3為Z=600 mm處的徑向截面的溫度場(chǎng)局 部分布圖(圖中縱坐標(biāo)溫度變化范圍是290 340 K)。由圖3可

10、看出,從殼程到管程,其溫度是 依次降低的,存在著溫度梯度。管程溫度變化規(guī)律 是越靠近管壁溫度越高。仔細(xì)觀察圖3中的殼程流 體可發(fā)現(xiàn),由于螺旋扭片的插入,在殼程流體內(nèi)部, 2 根平行插入的螺旋扭片之間也出現(xiàn)了溫度梯度,這 個(gè)溫度梯度一直延續(xù)到與換熱管壁接觸處,其變化 對(duì)換熱的影響可從圖中清晰地看到,這是普通光管管殼式換熱器換熱時(shí)所沒有的。                

11、     2.2軸線截面流場(chǎng)    殼程流體速度矢量場(chǎng)圖4中的縱坐標(biāo)表示殼程流體速度大小,其變化范圍是1.52E-025.4E+02m/s。 由圖4可以看出,縱向多螺旋流管殼式換熱器殼 程流體由于受到螺旋扭片的擾流作用,摻混比較劇烈。并且出現(xiàn)了很劇烈的附加螺旋流動(dòng)6,使邊界層的分離作用增強(qiáng),提高了殼程流體間的湍 動(dòng)程度,推動(dòng)了管程和殼程之間的換熱。換熱效率有較大提高,模擬結(jié)果很好地驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)研究得到的結(jié)論。      

12、;              2.3軸線方向流體質(zhì)點(diǎn)跡線圖    圖5為殼程流體沿軸線方向流動(dòng)時(shí)流體質(zhì)點(diǎn) 的跡線圖,圖中縱坐標(biāo)表示殼程流體質(zhì)點(diǎn)速度變 化范圍是01. 19 E+03m/s。由圖5可以看出,流 體在進(jìn)行軸向流動(dòng)的同時(shí),也進(jìn)行附加螺旋流動(dòng)。螺旋流動(dòng)的形式和螺旋扭片的螺旋結(jié)構(gòu)很相似,這是由于螺旋扭片具有螺旋流導(dǎo)向作用,殼程流體沿著螺旋扭片的表面進(jìn)行流動(dòng)。進(jìn)一

13、步研究發(fā)現(xiàn),殼 程流體并不是作為一個(gè)整體進(jìn)行螺旋流動(dòng),而是分 成不同的流束,分別沿著不同的螺旋扭片進(jìn)行流動(dòng)。                            圖6左、中、右3圖分別為縱向多螺旋流管殼式 換熱器軸線方向Z在100, 600, 1 100mm

14、處徑向截 面流體質(zhì)點(diǎn)跡線圖。由圖6可以看出,殼程流體總 是在圍繞著12根換熱管并且在螺旋扭片的導(dǎo)流向 作用下進(jìn)行各自的縱向附加螺旋流動(dòng)。進(jìn)一步分析 可以看出,沿著軸線方向,流體質(zhì)點(diǎn)的湍流程度是在 不斷加劇的。                        2.4殼程流體沿軸線方向壓降分布圖 

15、0;  圖7為縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程流體 沿軸線方向壓降分布圖。圖中縱坐標(biāo)表示壓降, 其變化范圍是2001 200 Pa,橫坐標(biāo)表示換熱器 軸線位置在01 200 mm處。由圖7可以看出,殼 程流體沿軸線方向的壓降具有周期性,壓降趨勢(shì) 線由12個(gè)小線段構(gòu)成。而螺旋扭片總長(zhǎng)為1 200 mm,螺旋節(jié)距為100 mm,所以螺旋扭片的節(jié)距個(gè) 數(shù)為12,二者吻合良好。殼程流體沿軸線方向上 的壓降變化主要是由于扭片的螺旋性結(jié)構(gòu)引起流

16、0;體的附加螺旋性流動(dòng)所導(dǎo)致,附加螺旋流動(dòng)使殼 程流體沿螺旋扭片表面進(jìn)行高速流動(dòng),流動(dòng)方向 不斷改變,湍流強(qiáng)度加劇,邊界層分離作用增強(qiáng), 導(dǎo)致了軸線方向上的壓降。當(dāng)以殼程流體流量為 9 m3/h進(jìn)行模擬時(shí),模擬得到的殼程流體的壓降 約為750 Pa,實(shí)驗(yàn)研究時(shí)得到的壓降為675 Pa,二 者誤差約為11%。                 

17、;         2.5傳熱膜系數(shù)分布圖    圖8為縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程傳熱膜系數(shù)分布圖,縱坐標(biāo)表示傳熱膜系數(shù),變化范圍是 01. 35E+04W /(m2·K)。由圖8可看出,殼程 傳熱膜系數(shù)分布是不均勻的,其平均值約為5 500 W /(m2·K)。當(dāng)殼程流體流量為9 m3/h時(shí),實(shí)驗(yàn) 得到的殼程流體傳熱膜系數(shù)為6 000W

18、0;/(m2·K), 模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果約小9%。                         3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的比較    本文實(shí)驗(yàn)研究所采用的換熱器與模擬研究所用 的換熱器尺寸參數(shù)相同,都是換熱管長(zhǎng)度為 1 200 mm,內(nèi)徑15&

19、#160;mm,殼體內(nèi)徑為109 mm的管殼 式換熱器。實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)包括殼程流體流量、進(jìn) 出口壓力、溫度、管程流體流量、進(jìn)出口溫度等。所采用的儀器有精度等級(jí)為±0. 2%溫度傳感器 Pt100、壓力傳感器、流量傳感器等。    圖9為本文數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究得到的殼程傳 熱模系數(shù)h對(duì)比。由圖9可以看出,無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還 是模擬,得到的h都隨著殼程雷諾數(shù)Re的增加而增 加,且二者增加趨勢(shì)一致。并且,當(dāng)Re相同時(shí),實(shí)驗(yàn) 值總是比模擬值要大。殼程流體流量為11

20、60;m3/h,h差別最大,模擬得到的h要比實(shí)驗(yàn)值約小11%。系 統(tǒng)誤差的產(chǎn)生主要是因?yàn)閭鞲衅鞯陌惭b位置不當(dāng)所引起。傳感器的探頭都是安裝在換熱器殼程軸線附 近,這樣測(cè)得的數(shù)據(jù)具有片面性,比實(shí)際值偏大。                      4結(jié)語(yǔ)    通過(guò)對(duì)縱向多螺旋流管殼式換熱器的殼程流體湍流流動(dòng)和換熱的三維數(shù)

21、值模擬,得到了殼程流體 的溫度矢量場(chǎng)、速度矢量場(chǎng)以及流體沿軸向流動(dòng)的 質(zhì)點(diǎn)跡線等。由模擬結(jié)果可以看出,由于螺旋扭片 的插入,殼程流體流動(dòng)的形式與螺旋扭片的螺旋結(jié) 構(gòu)很相似,是分成若干流束分別沿著各自螺旋扭片 的導(dǎo)程進(jìn)行螺旋流動(dòng)。由于螺旋扭片結(jié)構(gòu)的周期性 螺旋,靠近管壁面的流體產(chǎn)生了明顯的周期性螺旋 流動(dòng),加強(qiáng)了管束近壁面處流體的擾動(dòng),增大了熱擴(kuò)散率,推動(dòng)了流體的混合。并且,周期性的螺旋流動(dòng) 可以有效地減薄邊界層,尤其是黏性底層的厚度,使傳熱增強(qiáng),從而使殼程流體的傳熱膜系數(shù)有較大提高。模擬結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便的新型