哈雷釬焊板式換熱器
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                不同螺旋折流板換熱器殼側流動的數值研究

                點擊:1903 日期:[ 2014-04-26 21:14:23 ]
                                              不同螺旋折流板換熱器殼側流動的數值研究                                              王晨 桑芝富                                  (南京工業大學機械與動力工程學院)     摘要:采用數值模擬方法,運用大型CFD分析軟件Fluen,t研究了1/4橢圓螺旋折流板換熱器、1/3扇形螺旋折流板換熱器以及常見的1/4扇形螺旋折流板換熱器殼程流體的流動特點,并與傳統的 弓形折流板換熱器進行對比。采用Gambit軟件建立模型和劃分網格,采用分離變量法隱式求解, 壓力和速度耦合采用Simple算法。結果認為,螺旋折流板換熱器的傳熱及阻力性能低于弓形折流 板換熱器,1/4橢圓螺旋折流板換熱器的傳熱性能及壓力損失最小,其次是1/4扇形螺旋折流板換熱 器,1/3扇形螺旋折流板換熱器的殼程傳熱及阻力性能最高。      關鍵詞:螺旋折流板 換熱器 殼程流體 傳熱 數值模擬      引 言      螺旋折流板換熱器是伴隨高效傳熱技術的廣泛 開展而產生的一種新型節能管殼式熱交換設備, 廣泛應用于石油、化工及天然氣領域。目前,有關 螺旋折流板換熱器的研究工作多數以扇形折流板結 構為主,研究中主要分析螺旋折流板換熱器與弓形 折流板換熱器在性能上的差異,以及結構和操 作參數對螺旋折流板換熱器性能的影響。 在已有的研究工作中,關于不同螺旋折流板結構 對換熱器性能影響的報道并不多見。筆者采用 數值模擬方法,運用大型CFD分析軟件Fluen,t研究 了1/4橢圓螺旋折流板換熱器、1/3扇形螺旋折流板換熱 器以及常見的1/4扇形螺旋折流板換熱器殼程流體的流 動特點,并與傳統的弓形折流板換熱器進行對比,為 螺旋折流板換熱器結構優化設計提供了依據。     螺旋折流板的結構設計     不同結構的折流板如圖1所示,其中3種螺旋 折流板均由標準橢圓切割得到,在布置折流板時均 以標準橢圓的短軸為旋轉軸。其區別在于:1/4橢圓 螺旋折流板由標準橢圓沿其長短軸切割得到。1/4扇 形螺旋折流板兩直邊相等并以標準橢圓的短軸對 稱,折流板夾角θ1應大于90°,且隨螺旋角的不同而變化。這2種結構的一個完整螺旋由4塊折流板 組成,單塊折流板在換熱器殼程橫截面上的投影為 90°。1/3扇形螺旋折流板的直邊同樣沿標準橢圓的 短軸對稱,但折流板夾角θ2在螺旋角相同的條件 下應大于14扇形螺旋折流板的夾角θ1且在殼體橫 截面上的投影為120°,一個完整螺旋由3塊折流 板組成。1/4扇形和1/3扇形螺旋折流板的實際形狀并 不是通常所說的圓形扇形,而是橢圓形扇形。之所 以稱之為扇形折流板,是因為其在換熱器殼體橫截 面上的投影是嚴格的圓形扇形。由圖1可以看出, 一塊完整的橢圓圓板最多可以加工出2塊1/4扇形或 1/3扇形螺旋折流板,而同樣的板材卻可以加工出4 塊1/4橢圓螺旋折流板。因此,從節省材料的角度考 慮,1/4橢圓螺旋折流板具有明顯的優勢。                            數值計算模型     1·計算模型     數值計算模型均采用U形管換熱器結構,結 構形式為1—2型,即單殼程雙管程,管、殼程流 體分別為熱水和冷水,體積流量分別為4、5·5 m3/h。表1、表2給出了換熱器以及折流板的結構 參數,其中弓形折流板的缺口弦高為0·32倍的殼 體內徑。                        2·計算方法和邊界條件     采用Gambit軟件建立模型和劃分網格,由于螺 旋折流板在殼程的布置為螺旋形,是復雜的三維模 型,所以采用四面體和金字塔網格來劃分,網格總 數約120萬。采用分離變量法隱式求解,保證收斂 的穩定性,標準κ-ε湍流模型考慮湍流效應對流動 與傳熱的影響,壓力和速度耦合采用Simple算法, 動量、能量以及湍流參量的求解采用二階迎風格式, 質量及能量計算殘差控制在10-4數量級。計算流體 進口采用速度入口條件,給定流體流速、溫度及相 應的湍流條件,出口采用壓力出口邊界,殼體壁面 和折流板采用不可滲透、無滑移絕熱邊界。     結 果 分 析     1·傳熱與阻力性能     表3是根據模擬得到的管、殼程進出口處的溫度和壓力,以及換熱管外表面平均壁溫,得出的不 同折流板結構換熱器殼程Nusselt準數和Euler準 數。從表3可以看出,螺旋折流板換熱器的傳熱及 阻力性能低于弓形折流板換熱器;對于不同螺旋折 流板結構形式的管束,1/4橢圓螺旋折流板換熱器的 傳熱系數和壓力損失最小,1/3扇形螺旋折流板在有 效提高殼程傳熱系數的同時會導致換熱器殼程阻力 增大,1/4扇形螺旋折流板換熱器的性能介于二者之 間,這與文獻[11]的結論一致。將模擬得到的 Nusselt準數和Euler準數與文獻[11]中相同操作 工況下的試驗值進行比較,可以看出誤差均在可接 受范圍之內,證明了模擬的可靠性。                       2·流線分布     圖2為軸向z=570~740mm處,換熱器的殼 程流線圖。從圖中可以看出,弓形折流板換熱器殼 程流體呈Z字形流動。而在螺旋折流板換熱器中, 殼程流體在折流板的作用下,整體呈現出近似的螺 旋狀柱塞流動。在相鄰2塊弓形折流板之間區域內 流體的流動方向幾乎與換熱管相垂直,而在螺旋折 流板換熱器中,殼程流體的流動方向與換熱管呈一 定夾角,這使弓形折流板換熱器的傳熱和阻力性能 要高于螺旋折流板換熱器。                        在螺旋折流板換熱器殼程中心區域,由于三角 區的存在,有部分流線幾乎與殼體中心線平行,且 有少量波動。這說明在殼體中心區域存在短路現 象,這部分流體對于傳熱以及壓力損失作用不明 顯,這也是弓形折流板和螺旋折流板換熱器性能差 異的原因之一。     在不同螺旋折流板結構換熱器中,由于1/4橢圓螺 旋折流板采用連續搭接,其它2種螺旋折流板采用交 錯搭接以保證螺距相同,并且1/3扇形螺旋折流板的搭 接量大于1/4扇形螺旋折流板。采用交錯搭接可以減小 三角區的面積,從而減少漏流,提高了換熱器的傳熱 性能和流動阻力。從圖中可以看出,隨著搭接量的減 小,3種螺旋折流板換熱器的漏流呈遞增趨勢。因此, 在相同流量下,1/3扇形螺旋折流板換熱器的殼程傳熱 及阻力性能最好,其次是1/4扇形螺旋折流板換熱器, 1/4橢圓螺旋折流板換熱器最低。     3·流場分布     圖3為不同折流板結構換熱器軸向z=700mm 處殼程橫截面的流場分布圖。從圖中可以看出,對 于弓形折流板換熱器,在靠近殼壁區域,流動呈兩 邊比較對稱的爬升或下降流動(由折流板窗口位 置決定),2股流體在頂部(或底部)相遇轉而流 向管間,構成了復雜的管間流場。而在螺旋折流板 換熱器的管束外圍與殼壁之間區域,由于換熱管的 擾流作用減弱,呈現出有規律的旋轉流動,管間流 體雖然受到換熱管的擾流作用較強,但從整體上來 看,依然呈現出一定的旋轉,并且整個橫截面上流 速分布比較均勻。                           圖4為軸向z=570~740mm處,不同折流板結構 換熱器殼程縱向截面的流場分布圖。從圖中可以看 出,在弓形折流板換熱器中,折流板背部區域流速較 低,說明在折流板附近存在流動死區,而局部區域的流速較高,流速分布不均勻。螺旋折流板換熱器殼程 流體的流速分布比較均勻,幾乎不存在流動死區。 在3種螺旋折流板中,1/3扇形螺旋折流板換熱 器的殼程流體流速最高,1/4扇形螺旋折流板的殼程 流體流速略高于1/4橢圓螺旋折流板。究其原因,螺 旋折流板是利用多塊平板相互連接組成近似螺旋通 道,一個螺距內,平板的數量越多,所組成的近似 螺旋通道就越接近理想螺旋。同時,相鄰螺旋折流 板之間采用交錯搭接結構,不僅減小了三角區的面 積,而且減少了漏流,同時也會破壞螺旋的連續 性。結構上的不規則性和非連續性造成了流體流速 的提升,提高了換熱器的傳熱和阻力性能。由于1/3 扇形螺旋折流板一個螺距內只有3塊平板,且搭接 量最大,1/4扇形螺旋折流板和1/4橢圓螺旋折流板一 個螺距內的折流板數量相同,但是前者有少量搭 接,造成三者之間性能的差異。                          結 論     通過數值模擬研究了3種不同螺旋折流板結構 換熱器的殼程流動特點,并與普通弓形折流板換熱 器進行了對比。結果表明:     (1)螺旋折流板換熱器的傳熱及阻力性能低 于弓形折流板換熱器。而在3種不同螺旋折流板結 構換熱器中,1/4橢圓螺旋折流板換熱器的傳熱性能 和壓力損失最小,其次是1/4扇形螺旋折流板換熱 器,1/3扇形螺旋折流板換熱器的殼程傳熱及阻力性 能最高。     (2)與弓形折流板換熱器Z字形流動方式相 比,螺旋折流板換熱器殼程流體呈現出近似的螺旋 狀柱塞流動,不存在流動死區,流速分布更加均 勻。流體的流動方向與換熱管呈一定夾角,使得螺 旋折流板換熱器的傳熱和阻力性能要低于弓形折流板換熱器。     (3)在螺旋折流板換熱器殼程中心區域,由 于三角區的存在,存在短路現象,這也是螺旋折流 板換熱器性能要低于弓形折流板換熱器的原因之 一。交錯搭接結構可以減少三角區漏流,在增加有 效傳熱的同時也造成流動阻力的上升。因此,在相 同螺距下,1/3扇形、1/4扇形和1/4橢圓螺旋折流板換 熱器的傳熱和阻力性能隨著搭接量的減小而遞減。     (4)一個螺距內折流板數量越少或搭接量越 大會破壞螺旋的規則性和連續性,使得流體流速提 升,從而提高了換熱器的傳熱和阻力性能。1/3扇形 螺旋折流板只有3塊平板,且搭接量最大,1/4扇形 螺旋折流板和1/4橢圓螺旋折流板一個螺距內的折流 板數量相同,但是前者有少量搭接,造成了3種螺 旋折流板換熱器之間性能的差異。 
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