哈雷釬焊板式換熱器
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                軸流管殼式換熱器殼側流體優化分布數值研究

                點擊:1661 日期:[ 2014-04-26 21:14:23 ]
                                   軸流管殼式換熱器殼側流體優化分布數值研究                       曾文良1,2,張復興1,王劍秋1,鄧先和2     (1·衡陽師范學院化學與材料科學系,湖南衡陽 421008,2·華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室,廣東廣州 510640)     摘 要:針對大型、超大型軸流管殼式換熱器殼側流體的流動分布不均的問題,提出在進出口處增加流體分布擋板用以改進流體分布不均的現象。并且在此之前的理論研究基礎上,采用多孔介質———分布阻力模型,對不同結構參數的流體分布擋板進行數值模擬研究,研究結果表明,在殼側進出口安裝流體分布擋板能夠有效促進流體的均勻分布,理論分析的數學模型與數值研究結果表現為一致,通過幾種不同的結構參數分布擋板的數值結果對比,表明采用第三種結構形式的擋板不但流體分布均勻,而且由于擋板存在所造成的壓力損失最小。     關鍵詞:軸流管殼式換熱器;流體分布;數值模擬;多孔介質模型     中圖分類號:TQ021·3     文獻標識碼:A     文章編號:1673—0313(2009)03—0065—05     1 前 言     隨著工業生產裝置的大型化和超大型化的發展,對工業過程的通用設備———換熱器,同樣提出了大型化和超大型化的要求。由于換熱器的傳熱管長度L一般是由生產工藝條件決定的,而換熱器的殼體直徑D是由生產能力決定的,隨著換熱器直徑的增大,換熱器的L/D將減小,流體在換熱器殼程流動分布將變得不均勻,不但降低換熱器的傳熱性能[1-2]、而且容易誘發管束振動[3]、以及殼程壓降急劇增大。針對大型軸流換熱器存在的問題,鄧先和與張亞君[4]提出了采用平行多通道的進出口結構,能夠有效降低殼程阻力損失,但是依然存在流動速度分布不均勻問題,曾文良[5]提出采取在換熱器殼程進出口安裝流體分布擋板的辦法予以解決,并且通過理論分析了建立了流體分布擋板的數學模型。為了進一步驗證數學模型的正確性與適用性,將采用數值方法對流體分布擋板的流體分布進行研究,以達到工程應用的目的。     由于換熱器殼程的結構復雜性,使得殼程內流體流動變得異常復雜,因此目前條件下對換熱器殼程流場的數值模擬無法采用直接方法進行,唯一可行的方法就是S.V Patankar和D.B.Spalding[6]提出的多孔介質———分布式阻力模型。有關多孔介質———分布阻力模型的應用研究,近二十年來國內外學者均做了較多的探索工作[7-12],但是到目前為止,還很少有關大型軸流管殼式換熱器,特別是進出口流體分布擋板的研究。本研究就是在這一背景下提出來,采用多孔介質———分布式阻力模型,對一種新型的并流多通道進出口裝置的大型軸流管殼式換熱器的流體分布擋板進行數值研究,從而驗證作者以前建立的數學模型的正確性。     2 物理模型     2.1 物理模型的簡化     由于大型、超大型軸流換熱器采用平行多通道進出口結構形式,使得流體在進出口段橫穿管束數量顯著減少,平行多通道進出口結構的截面如圖1所示,為了更加簡明表達要研究的物理模型,選取圖1中典型的單元區域來進行相關的研究,這里研究對象可以簡化為以長方形的軸流換熱器,該換熱器由4×9根規格為φ25×2.5×1000 mm的傳熱管組成,傳熱管為30×30 mm的正方形排列,換熱器平面圖見圖2。                       2.2 數值模型幾何參數的簡化     在文獻[5]中作者推導了正方形管束排列條件下,流體分布擋板數學模型的優化開率、速度分布以及在x方向、x-z方向、以及z方向的阻力分布分別為:                      以上各式中:A(n):分布擋板的開孔率;Ax,Az分別為x方向、z方向的流通面積;ξ1,ξ2,ξ3:分別為x方向、x-z方向、z方向的阻力系數;u1(n):速度分布函數;Δp1(n),Δp2(n),Δp3(n):分別為x方向、x-z方向、z方向的阻力分布函數;N:總管排數;n:管排數變量。     當流體處于完全湍流下,x方向、x-z方向、以及z方向的局部阻力損失系數基本為常數,局部阻力系數的具體計算方法參考文獻[10],將物理模型的幾何結構參數、操作參數一起代入式(1),將可以計算得到流體分布擋板的理論開孔率。     為了便于比較與分析,并考慮到模型的建立與網格生成,這里選取的三種不同規格的開孔率,則對應三種形狀的流體分布擋板,它們分別為(1)整個擋板采取完全相同的開孔率,其開孔率為數學模型計算值的加權平均;(2)分布擋板的開孔率沿x流動方向成線性關系;(3)在同一流體分布擋板上沿x流動方向選取三種不同開孔率,其開孔率同樣為數學模型計算值在對應區域內的加權平均。以上三種結構形式的擋板分別簡稱為擋板1、擋板2、擋板3。其具體開孔率見表1。                       3 數學模型與方法     3.1 多孔介質———阻力分布模型下殼程流體控制方程在直角坐標體系中,以多孔介質特性參數的傳遞過程控制方程,可以統一表示為:          式中:η:容積多孔度;:控制方程的通用變量;Γ:廣義擴散系數;S:廣義源項;U:速度向量;ρ:流體的密度。對于不同的,起對應的Γ、S的表達形式見表2。                     上表中,μ、μe、μt:分別為流體粘性粘度、等效粘度、湍流粘度。     Rx、Ry、Rz、Rk、Rε:分別為u、v、w、k、ε的附加源項,具體計算方法參考文獻[7-9]。     3.2 數值方法     問題的簡化和假設:(1)流體為常物性穩態流動,無內熱源;(2)流體進出系統的壓力變化較小,近似為不可壓縮流體;(3)多空區域內流體流動已經充分發展。     邊界條件:(1)管壁及支撐物壁面滿足無滑移邊界條件;     (2)流動介質為常物性空氣;(3)給定速度入口,壓力出口邊界,給定不同Re下的流速,和出口壓力為0(表);(3)分別定義一般流動區域和多孔介質區域;(4)多孔區的源項,選用采用C語言編制的UDF程序。     數值方法:(1)網格劃分采用分體網格,并對進出口和擋板進行加密處理;(2)采用重整化k-ε湍流模型;(3)采用SIMPLEC算法進行壓力和速度的耦合;(4)控制方程源項為c++編寫的FLUENT6.2 UDF程序;(5)計算過程中,各物理變量的殘差控制在<10-6。     4 結果與討論     4·1 速度場的分布     圖3是對稱剖面(Y=0)上的速度等值分布云圖,為了比較不同結構的流體分布擋板,以及無分布擋板等幾種狀況下的速度分布。通過圖3-a可以看出,在無分布擋板的條件下,速度分布表現為嚴重的不均,并且存在大量的流動死區,特別是在進出口段,流動死區現象表現非常嚴重;從圖3-b~c可以看出采用流體分布擋板,能夠有效促進速度分布均勻,比較各種三種不同結構形式的分布擋板,不難發現,擋板2盡管比無擋板情況下有很大的改善,但是與擋板1和擋板3存在較大的差距,如果僅通過圖3無法判斷擋板1與擋板3中的哪一個更能有效促進流體的流場分布,因此以下將從殼程流體的速度概率分布和壓降兩個方面的研究結果來進行分析。                                     通過對數值模擬結果進行相應的統計處理,可以得到不同條件下Z(軸向)方向流動速度概率分布如圖4所示,統計結果見表3。從圖4可以很明顯看出,在無分布擋板的情況下,其速度概率分布曲線接近全混流狀態,由此可見在沒有分布擋板情況下,速度分布不均是非常嚴重的。然而相比之下擋板1與擋板3具有較大的相似性,其分布曲線都接近正態分布,但是擋板3的均方差明顯小于擋板1,這說明擋板3更加接近活塞流,也就是說在擋板3的流動狀態下,流體的軸向返混更少發生。表3統計數據也表明擋板3比擋板1更有利于流體的速度分布均勻。                                 4.2 壓降分析     圖5是各種不同結構的擋板以及無擋板條件下,換熱器進出口之間的壓降與入口流動速度的關系曲線,從圖中可以發現,無擋板情況下阻力損失最小,這一點無需做任何解釋對于三種不同結構的擋板,也很容易發現擋板2與擋板3的總壓降基本接近,擋板3在高速區域稍低點,而擋板1的壓降基本是擋板2和擋板3的一倍以上,如果單從壓降看,擋板3的壓降性能最為優越,結合前面的速度場的分布,綜合分析認為采用擋板的綜合性能最優,這與擋板3的最初設計思想是一致的,為了更好分析以前所建立的數學模型的準確性,下面將從進口段的速度分布與壓降分布關系,進一步比較數學模型與數值模擬結果的吻合程度。                      4·3 模擬結果與數學模型的比較     在入口中心區域(Z=-0.425m)截面上,將截面速度和壓降分布分別沿Y方向進行加權平均,加權分別作出圖6和圖7的曲線。圖6是不同結構的擋板在進口(Z=-0·425m)截面上沿X(橫向沖刷)方向的壓降分布曲線比較,從圖中可以看出擋板3非常接近理論結果,但是具有交叉點,而擋板1卻與理論結果相差較遠,這主要是因為擋板1是按照理論計算平均值進行設計的,而擋板3是按照理論計算值在三個不同區域內進行平均而設計的,因此單從X方向的壓降分布,可以得出有關X方向壓降的理論分析模型是完全正確的,而且擋板3更接近理論模型。                     圖7是不同結構的在Z=-0.425m截面上沿X(橫向沖刷)方向的速度分布曲線,從圖中可以看出擋板1和擋板2均比較接近理論分析結果,擋板3盡管與理論分析結果具有一定的偏差,但是偏差不是很大,這與前面壓降分布的結果不相一致,但是總體上可以看出理論模型與數值模擬結果是比較接近的。                     4·4 結論     通過對平行多通道軸流管殼式換熱器殼程進出口流體分布檔板的數值研究,得出如下結論:     1.從流場分布研究結果表明,分布擋板能夠有效促進殼程流場分布均勻,且擋板3的分布效果最為突出;     2.通過數值結果與理論模型的對比,研究表明數值結果能夠與理論模型較好的吻合,特別是擋板3的情況下;     3.文獻[5]中推導的有關數學模型對指導流體檔板的工程設計具有較好的指導作用和參考價值。     參考文獻:略
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