折流板間距對換熱器性能影響的數(shù)值研究

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1、折流板間距對換熱器性能影響的數(shù)值研究第27卷第3期2005年5月南京工業(yè)大學JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVo1.27No.3Mav2005折流板間距對換熱器性能影響的數(shù)值研究張少維,周榮蘭,桑芝富(1.南京工業(yè)大學機械與動力工程學院,江蘇南京210009;2.揚子石化檢修安裝有限責任公司,江蘇南京210048)摘要:采用CFD數(shù)值模擬方法,研究了簡化模型下弓形折流板和螺旋折流板換熱器,對應于不同間距/螺距時,流動參量的變化對換熱器整體流動與傳熱性能的影響.結(jié)果表明,兩種結(jié)構(gòu)對應的殼程壓力損失和換熱系數(shù)均隨殼程流量

2、的增加而增大,而螺旋折流板結(jié)構(gòu)單位壓降下?lián)Q熱系數(shù)大于弓形折流板,并且其性能受折流板螺距變化的影響較小,體現(xiàn)了螺旋折流板結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性.計算結(jié)果與現(xiàn)有實驗結(jié)論吻合較好.關(guān)鍵詞:換熱器;螺旋折流板;弓形折流板;數(shù)值模擬中圖分類號:TK124文獻標識碼:A文章編號:1671—7643(2005)03-0065一o4管殼式換熱器由于其傳熱效率高,結(jié)構(gòu)簡單等特性而成為化工領(lǐng)域目前應用最廣泛的一種傳熱裝置.近年來,隨著強化傳熱技術(shù)的發(fā)展以及各工業(yè)領(lǐng)域?qū)?jié)能要求的提高,世界各國紛紛加大了對新型高效換熱設(shè)備的研究.研究主要圍繞提高傳熱效率和降低壓力損失,并保證換熱器運行的可靠性

3、等方面進行,先后研制開發(fā)了螺旋折流板管殼式換熱器¨.,扭曲管管殼式換熱器以及多種管內(nèi)強化傳熱的高效換熱裝置J.這些新型高效換熱器的研究開發(fā),一方面有效解決了傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器所存在的諸如具有流動死區(qū),殼程壓力損失較大,容易結(jié)垢等問題,同時也對傳統(tǒng)研究方法和設(shè)計手段提出了挑戰(zhàn).目前對于弓形折流板管殼式換熱器的研究仍然是基于Bell—Delaware法以及Tinker的流路分析法_5J,并通過大量實驗測量和工程實際應用數(shù)據(jù)對其中個別參數(shù)加以修正,以期更加接近于實際情況.而對于螺旋折流板管殼式換熱器等新型換熱設(shè)備,由于其幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而導致管程或殼程流體

4、流動狀態(tài)發(fā)生改變,進而造成整體傳熱特性和壓力分布的改變,使得傳統(tǒng)的分析方法不能很好地滿足這些換熱設(shè)備的設(shè)計要求.采用計算流體動力學(ComputationalFluidDy-namics.CrD)方法進行換熱器的研究最先由Patankar和Spalding等人提出,后經(jīng)Sha..,Zhang¨,Prithivi-raj],黃興華¨..等人的發(fā)展完善,逐漸形成了比較完整的算法體系,其研究結(jié)果已經(jīng)被用于電廠蒸汽冷凝器,無相變管殼式換熱器等過程設(shè)備的開發(fā)研究,并取得了與試驗吻合較好的計算結(jié)果.隨著計算數(shù)學的發(fā)展和眾多成熟商業(yè)軟件的開發(fā),以及計算機硬件技術(shù)的不斷進步,

5、采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法已逐漸成為許多工程研究領(lǐng)域的主流研究方法,在某些方面甚至可以完全取代試驗研究.本文采用CFD方法對比研究了相同殼體直徑D下,改變弓形折流板間距玩和螺旋折流板螺距日對換熱器殼程流動與傳熱性能的影響.結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化以無因次參量A表示(弓形折流板結(jié)構(gòu):A=風/D;螺旋折流板結(jié)構(gòu):A=HJD).由于不考慮管束流動的細節(jié)信息,采用單管模型近似處理管束整體對殼程流動與傳熱的影響.計算結(jié)果以殼程壓力損失△P,殼程換熱系數(shù)表示,并以單位壓降下的換熱系數(shù)△P作為綜合衡量標準,評定兩種殼程折流板結(jié)構(gòu)布置方式對管殼式換熱器殼程流動和傳熱性能的影響,

6、模擬結(jié)果與現(xiàn)有實驗研究結(jié)果吻合較好.1計算模型1.1幾何模型計算幾何模型如圖1所示,其中弓形折流板結(jié)收稿日期:2004一o9—2l作者簡介:張少維(1980一),男,陜西楊凌人,碩士生,主要研究方向為高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備及CFD應用;桑芝富(聯(lián)系人),教授,Email:zfsang@njut.edu.cn南京工業(yè)大學第27卷構(gòu)采用75%圓缺窗口;螺旋折流板采用四分之一橢圓結(jié)構(gòu),螺旋角為口=16..彼此相鄰的兩塊折流板采用交錯搭接結(jié)構(gòu),通過搭接距離的改變從而實現(xiàn)(a)弓形折流板螺旋角不變情況下螺距的改變.結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變分別對應于A=0.50,A=0.57,A=0.6

7、7以及A=0.8.(b)螺旋折流板圖l兩種結(jié)構(gòu)的簡化幾何模型示意圖Fig,1Simplifiedgeometrymodelfortwodifferentstructures1.2數(shù)值模型及邊界條件基于不可壓縮的牛頓型流體,在常物性和宏觀熱能守恒的假設(shè)下,換熱器管程和殼程流體的流動和熱量傳遞必須滿足連續(xù)性方程,動量方程以及能量方程J.計算區(qū)域采用正交六面體網(wǎng)格離散處理,考慮邊界層對流動的影響,以使標準壁面函數(shù)法能滿足對數(shù)率的要求,穩(wěn)態(tài)隱式格式求解,采用標準k-e湍流模型計算湍流參量對流場和溫度場的影響;壓力和速度參量的解耦采用Simple算法¨¨.流體介質(zhì)為水,

8、物性參數(shù)為等效溫度下的常量;給定流體入