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1、第40卷第3期化工機(jī)械379圓盤板開孔對(duì)縮放管盤環(huán)式換熱器殼程性能影響的數(shù)值研究吳秋華+(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院)摘要利用CFD技術(shù)對(duì)圃盤板上開不同直徑孔的縮放管盤環(huán)式換熱器殼程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，圃盤板開孔能在一定程度上改善固盤板后側(cè)流體的流動(dòng)狀況，且開孔后圃盤與圓環(huán)折流板之間的流體壓力分布較均勻；開孔直徑越大，挾熱器的殼程傳熱系數(shù)和壓降均越小，綜合性能越好；開孔直徑不宜過小，適當(dāng)?shù)亻_孔才能有效地提高換熱器的綜合性能。關(guān)鍵詞縮放管盤環(huán)式換熱器圃盤板開孔數(shù)值模擬中圈分類號(hào)TQ051．5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0254-609
2、4(2013)03-0379-05單弓形折流板換熱器作為傳統(tǒng)的換熱器，一直是許多學(xué)者的重點(diǎn)研究對(duì)象。文獻(xiàn)[1—3]的試驗(yàn)研究表明，弓形折流板合理開孔有利于提高殼程傳熱效率和減小壓降。文獻(xiàn)[4]提出對(duì)折流板適當(dāng)部位的管孔進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)大，具有較好的節(jié)能降耗效果。折流板開孔后阻力系數(shù)與開孔密度有關(guān)，低開孔密度的折流板流體流動(dòng)阻力系數(shù)不僅不能降低，相反會(huì)提高"1。文獻(xiàn)[6]的數(shù)值模擬結(jié)果也表明，采用在弓形折流板上開孔的方法對(duì)提高管殼式換熱器的傳熱效率，減小殼側(cè)壓降有一定效果。筆者應(yīng)用Fluent軟件，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)圓盤板上開不同
3、直徑孔的縮放管盤環(huán)式換熱器殼程傳熱與阻力性能進(jìn)行了研究，定性和定量地分析了圓盤板開孔大小對(duì)換熱器殼程性能的影響，為帶開孔折流板的換熱器的開發(fā)研制及工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。1模型的建立與求解1．1建模與網(wǎng)格劃分筆者模擬研究的對(duì)象為縮放管盤環(huán)式換熱器殼程結(jié)構(gòu)。由于該換熱器是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在保證不影響結(jié)果的前提下，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，以便于運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算分析，可選擇其一半結(jié)構(gòu)來建模。同時(shí)，對(duì)所模擬研究的換熱器殼程結(jié)構(gòu)作一定的簡(jiǎn)化處理，建模與網(wǎng)格劃分時(shí)均不考慮殼體及接管壁厚、縮放管壁厚、管板厚度、圓環(huán)折流板與殼體的間隙以及縮放管與
4、折流板的間隙，僅研究換熱器殼程流體的流動(dòng)區(qū)域。縮放管盤環(huán)式換熱器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：殼體內(nèi)徑151mm換熱器長(zhǎng)度1200mm殼程進(jìn)出口接管內(nèi)徑45ram圓盤折流板直徑128mm圓環(huán)折流板內(nèi)徑100mm折流板間距(即盤環(huán)板間距)98ram折流板厚度4mm換熱器殼程結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其中縮放管的擴(kuò)張段和收縮段長(zhǎng)度相等，正方形排列，管子總長(zhǎng)1．2m，外徑為19mm，節(jié)距為12mm，肋高為0．8mm。·吳秋華，男，1985年12月生，助教。廣東省東莞市，523419。圖1縮放管盤環(huán)式換熱器殼程結(jié)構(gòu)模型380化工機(jī)械2013年為了研究
5、圓盤板開孔對(duì)換熱器殼程傳熱與阻力性能的影響，筆者還建立圓盤板上開不同直徑孔時(shí)的換熱器殼程結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。其中，圓盤板上開孔數(shù)量為16，開孔直徑分別為4、6、8、10mm，開孔位置為4根管子圍成的正方形中心。圓盤板具體開孔位置如圖2所示。圖2圓盤板開孔位置示意圖建模完成后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于該換熱器殼程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，用Gambit中提供的體網(wǎng)格單元Tet／Hybrid(四面體／混合)、TGrid類型對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各模型的網(wǎng)格數(shù)量在150萬左右。網(wǎng)格生成后，用常用的衡量網(wǎng)格質(zhì)量的指標(biāo)EquiAngle
6、Skew和EquiSizeSkew對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示各模型均沒有出現(xiàn)畸變的網(wǎng)格，且都能達(dá)到保證計(jì)算準(zhǔn)確的網(wǎng)格質(zhì)量要求。1．2數(shù)值解法及邊界條件計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型¨1，壓力和速度耦合采用Simplee算法，壓力插值算法采用默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)格式，動(dòng)量和能量方程離散采用二階迎風(fēng)差分格式。收斂判定條件：除能量方程殘差絕對(duì)值小于10山外，其他殘差絕對(duì)值均小于lo～。當(dāng)連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程中變量的殘差絕對(duì)值小于設(shè)定值并不隨迭代次數(shù)增加而發(fā)生明顯改變時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。換熱器殼程流體介質(zhì)為水，物性參數(shù)取定性溫度下的參數(shù)值。邊
7、界條件的具體設(shè)置如下：殼程人口采用速度入口，給定適當(dāng)?shù)耐牧鳁l件，初始溫度為363K，流量5000～14000kg／h，每次計(jì)算以1500kg／h為間距遞增；殼程出口采用壓力出口，給定適當(dāng)?shù)幕亓鳁l件，出口壓力值為0Pa(表壓)，計(jì)算結(jié)果取相對(duì)數(shù)值；縮放管壁面設(shè)置為無滑移邊界(Wall)，并設(shè)置其溫度恒定為300K；殼程軸線截面設(shè)置為對(duì)稱邊界(Symmetry)；殼體及接管壁面、折流板面和兩端管板面均設(shè)置為不可滲透，無滑移絕熱邊界。2計(jì)算結(jié)果與分析2．1溫度場(chǎng)分布在相同質(zhì)量流量(9500kg／h)條件下，圓盤板上未開孔(d=0)
8、和開孑L直徑d=10ram的縮放管盤環(huán)式換熱器殼程軸線截面(X=0)溫度場(chǎng)分布分別如圖3所示。結(jié)果表明，換熱器殼程流體的溫度從入13到出13沿著軸線方向逐漸下降，這是流體與恒溫壁面不斷進(jìn)行熱量交換的結(jié)果；圓盤板上開孔對(duì)殼程流體的溫度變化有一定的影響，開孔后流體溫度與未開孔時(shí)相比，整體下降趨
