縱流殼程換熱器數(shù)值模擬的應(yīng)用

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1、縱流殼程換熱器數(shù)值模擬的應(yīng)用生意社11月25日訊?　　王定標(biāo),董其伍,劉敏珊,李培寧摘要:提出采用數(shù)值模擬的方法研究縱流殼程換熱器,以克服實(shí)驗(yàn)研究方式的不足.利用相似理論,確定換熱器的數(shù)值模擬模型,分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其傳熱和流動(dòng)性能的影響,結(jié)果表明:單排管間布桿、減小折流柵間距、增大管束長(zhǎng)徑比均有利于傳熱,但同時(shí)也增大了流動(dòng)阻力;并利用最小二乘法,進(jìn)一步回歸出縱流殼程換熱器層流下的傳熱和流動(dòng)阻力的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式.顯示出采用數(shù)值模擬方式對(duì)換熱器進(jìn)行研究和開發(fā)的顯著優(yōu)點(diǎn).關(guān)鍵詞:縱流殼程換熱器;數(shù)值模擬;結(jié)構(gòu)參數(shù);傳熱;流體流動(dòng);準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式　　由于換熱器固有的

2、復(fù)雜性,換熱器傳熱理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了其應(yīng)用的需要[1].目前換熱器包括縱流殼程換熱器的研究都采用實(shí)驗(yàn)方式[2,3].這種實(shí)驗(yàn)方式存在著很多不足,如實(shí)驗(yàn)條件受到限制,實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高,不易改變模型的結(jié)構(gòu)參數(shù),有測(cè)量誤差等.而數(shù)值模擬方式可克服這些不足.因此,本文在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上,應(yīng)用數(shù)值模擬方式進(jìn)行了較深入研究.　　1　縱流殼程換熱器模型　　根據(jù)相似理論[5],確定縱流殼程換熱器模型,如圖1所示.筒體內(nèi)徑Di為Ф145mm,換熱管Ф14×2mm,換熱管為37根,管間距19mm,換熱管采用正方形排列,折流圈規(guī)格Ф143×Ф134mm,折流桿Ф5mm.管程通入

3、熱流體為100℃水蒸氣,殼程分別通入空氣或水.為拓寬其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的范圍,本文研究了折流桿布置形式為單排管間布桿或雙排管間布桿,折流圈間距Lb分別為40,60,80,100,150,200mm,管束長(zhǎng)徑比Lt/Di分別為2,6,9,13,20的情況.由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,可取橫截面的1/2進(jìn)行縱流殼程換熱器三維結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算.　　2　數(shù)值模擬及結(jié)果分析　　對(duì)縱流殼程換熱器模型進(jìn)行數(shù)值模擬,可獲得換熱器內(nèi)傳熱和流動(dòng)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng),分析數(shù)值模擬結(jié)果,得到縱流殼程換熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)(單、雙排管間布桿、折流柵間距、管束長(zhǎng)徑比等)變化對(duì)傳熱和流動(dòng)性能的影響關(guān)

4、系.2.1　單、雙排管間布桿的影響　　圖2、圖3為管束長(zhǎng)徑比(管束長(zhǎng)度與殼體直徑之比)為13,單排管間布桿、雙排管間布桿對(duì)換熱器殼程傳熱性能和流動(dòng)阻力的影響.從圖2,3可以看出,在相同的雷諾數(shù)(Re)下,采用單排管間布桿比雙排管間布桿傳熱性能好,但其流動(dòng)阻力降也相應(yīng)增大.這是由于采用單排管間布桿時(shí),同一橫截面上折流桿數(shù)目增多,流體流經(jīng)該截面時(shí),由于流體繞流,使其尾流區(qū)旋渦增多,湍動(dòng)程度加劇,使管壁上的邊界層減薄,因此提高了殼程流體的傳熱性能,同時(shí),折流桿的增多,流體流通的截面積減小,湍動(dòng)加劇,由于流體粘性而產(chǎn)生的摩擦阻力損失也增大.　　2.2　折流柵間距變

5、化的影響　　圖4、圖5給出了管束長(zhǎng)徑比為13時(shí),折流圈間距對(duì)傳熱及流動(dòng)阻力的影響關(guān)系.從圖4可見,在相同的Re下,隨著折流柵間距的減小,殼程傳熱的努塞而特準(zhǔn)數(shù)Nu越大,換熱器的傳熱性能越好.這是由于流體流經(jīng)折流柵時(shí),隨著雷諾數(shù)的增大,在桿圈處表面產(chǎn)生邊界層分離,在桿圈表面上下兩側(cè)產(chǎn)生的旋渦分離并形成尾流中的卡門渦街,使管子外表面的邊界層減薄,換熱管熱量傳遞的熱阻力減小,有利于傳熱,因而,殼程給熱系數(shù)增大,提高了換熱器的傳熱性能.從圖5可見,隨著折流柵間距的減小,殼程流動(dòng)阻力增大,這是由于折流圈的增多,尾流區(qū)旋渦產(chǎn)生和破裂的程度加劇,在增大傳熱的同時(shí),摩擦阻

6、力也相應(yīng)增大.2.3　管束長(zhǎng)徑比的影響　　圖6、圖7表示單排管間布桿、在折流柵間距為60mm,Re為2000時(shí)管束長(zhǎng)徑比對(duì)傳熱和流動(dòng)阻力的影響.從圖6可見,管束長(zhǎng)徑比對(duì)傳熱的影響很小,隨著管束長(zhǎng)徑比的增大,其Nu數(shù)呈現(xiàn)較小的增大.從圖7可見,管束長(zhǎng)徑比對(duì)流動(dòng)阻力的影響基本呈線性關(guān)系變化.隨著管束長(zhǎng)徑比的增大,流動(dòng)阻力基本上按線性比例增大.　　3　準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式　　根據(jù)相似理論中的量綱分析法,推導(dǎo)出換熱器殼程傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式和流動(dòng)阻力關(guān)聯(lián)式.Nu=CLRea1Pra2(Lb/de)a3(Lt/Di)a4(μ/μw)a5,(1)ΔP/(ρUS2)=fReb1(Lb/

7、de)b2(Lt/Di)b3.(2)　　式中:Pr為普朗特準(zhǔn)數(shù);Lb為折流圈間距,m;Lt為換熱管長(zhǎng)度,m;Di為殼體直徑,m;de為定性直徑,m;d0為換熱管外徑,m;Pt為管間距,m;cp,μ,λ分別為殼程流體的比熱、粘度、導(dǎo)熱系數(shù);US為殼程平行流流速,m/s;ΔP為流動(dòng)阻力(或壓力降),Pa;CL,a1～a5,f,b1～b3為待定值.采用最小二乘法擬合數(shù)值模擬結(jié)果,可得其在層流狀態(tài)下的關(guān)聯(lián)式.對(duì)于單排管間布桿:Nu=0.09642Re0.6045Pr1/3(Lb/de)-0.2156(Lt/Di)0.01276(μ/μw)0.14,(3)ΔP/(ρ

8、US2)=584.62Re-0.5937(Lb/de)-0.231