折流板間距對(duì)換熱器性能影響的數(shù)值研究

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1、折流板間距對(duì)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(xué)JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVo1.27No.3Mav2005折流板間距對(duì)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(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇南京210009;2.揚(yáng)子石化檢修安裝有限責(zé)任公司,江蘇南京210048)摘要:采用CFD數(shù)值模擬方法,研究了簡(jiǎn)化模型下弓形折流板和螺旋折流板換熱器,對(duì)應(yīng)于不同間距/螺距時(shí),流動(dòng)參量的變化對(duì)換熱器整體流動(dòng)與傳熱性能的影響.結(jié)果表明,兩種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)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(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)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(hào):TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(jiǎn)單等特性而成為化工領(lǐng)域目前應(yīng)用最廣泛的一種傳熱裝置.近年來(lái),隨著強(qiáng)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(guó)紛紛加大了對(duì)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(yùn)行的可靠性

3、等方面進(jìn)行,先后研制開(kāi)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(qiáng)化傳熱的高效換熱裝置J.這些新型高效換熱器的研究開(kāi)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(dòng)死區(qū),殼程壓力損失較大,容易結(jié)垢等問(wèn)題,同時(shí)也對(duì)傳統(tǒng)研究方法和設(shè)計(jì)手段提出了挑戰(zhàn).目前對(duì)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(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量和工程實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)其中個(gè)別參數(shù)加以修正,以期更加接近于實(shí)際情況.而對(duì)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(dǎo)致管程或殼程流體

4、流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變,進(jìn)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(jì)要求.采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(ComputationalFluidDy-namics.CrD)方法進(jìn)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(wú)相變管殼式換熱器等過(guò)程設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究,并取得了與試驗(yàn)吻合較好的計(jì)算結(jié)果.隨著計(jì)算數(shù)學(xué)的發(fā)展和眾多成熟商業(yè)軟件的開(kāi)發(fā),以及計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步,

5、采用試驗(yàn)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(yàn)研究.本文采用CFD方法對(duì)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(duì)換熱器殼程流動(dòng)與傳熱性能的影響.結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化以無(wú)因次參量A表示(弓形折流板結(jié)構(gòu):A=風(fēng)/D;螺旋折流板結(jié)構(gòu):A=HJD).由于不考慮管束流動(dòng)的細(xì)節(jié)信息,采用單管模型近似處理管束整體對(duì)殼程流動(dòng)與傳熱的影響.計(jì)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(biāo)準(zhǔn),評(píng)定兩種殼程折流板結(jié)構(gòu)布置方式對(duì)管殼式換熱器殼程流動(dòng)和傳熱性能的影響,

6、模擬結(jié)果與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果吻合較好.1計(jì)算模型1.1幾何模型計(jì)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(jiǎn)介:張少維(1980一),男,陜西楊凌人,碩士生,主要研究方向?yàn)楦咝鳠醾髻|(zhì)設(shè)備及CFD應(yīng)用;桑芝富(聯(lián)系人),教授,Email:zfsang@njut.edu.cn南京工業(yè)大學(xué)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(cuò)搭接結(jié)構(gòu),通過(guò)搭接距離的改變從而實(shí)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(duì)應(yīng)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(jiǎn)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(dòng)和熱量傳遞必須滿足連續(xù)性方程,動(dòng)量方程以及能量方程J.計(jì)算區(qū)域采用正交六面體網(wǎng)格離散處理,考慮邊界層對(duì)流動(dòng)的影響,以使標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法能滿足對(duì)數(shù)率的要求,穩(wěn)態(tài)隱式格式求解,采用標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型計(jì)算湍流參量對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)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