哈雷釬焊板式換熱器
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                螺旋隔板三維翅片管傳熱實驗研究與數值模擬

                點擊:1631 日期:[ 2014-04-26 21:39:41 ]
                                     螺旋隔板三維翅片管傳熱實驗研究與數值模擬                               劉曉紅1,熊 劍2,張正國2     (1.廣州航海高等??茖W校輪機系,廣東廣州 510725;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:文章對冷卻水在換熱器管程流動并與殼程的熱油逆流換熱條件下,對螺旋隔板三維翅片管換熱器的傳熱與壓降性能進行了實驗研究,并與光滑管進行了對比。在相同殼程Reynolds數下,三維翅片管的殼程Nusselt數是光滑管的2. 2—2. 9倍,而壓降是光滑管的2. 3倍左右。采用計算流體力學軟件Fluent6. 0對螺旋隔板三維翅片管和光滑管換熱器進行了數值模擬。結果表明,螺旋流條件下光滑管表面速度矢量均勻、穩定,而三維翅片表面的速度矢量因翅片激發流體而產生湍動和不規則的二次流,從而強化了流體的對流傳熱。對于螺旋隔板三維翅片管換熱器,殼程Nusselt數和壓降的數值模擬結果與實驗計算值吻合良好,最大偏差分別為6. 3%和9. 8%。     關鍵詞:三維翅片管;螺旋隔板;數值模擬;傳熱強化     中圖分類號:TK 124   文獻標識碼:A   文章編號:1005-9954(2009)11-0008-04     采用強化傳熱技術能有效地提高換熱器的傳熱性能,早在20世紀70年代后期國內外就廣泛開展了強化傳熱的研究工作,并指導開發出了系列的高效換熱器[1]。螺旋隔板換熱器則是20世紀90年代初開發出的新型管殼式換熱器結構,流體動力學研究表明[2],殼程流體類似于塞狀流,幾乎沒有反混和流動死區。在相同的殼程壓降下,螺旋隔板換熱器的傳熱系數比普通弓型隔板換熱器明顯提高[3-4]。近年來,許多學者采用數值方法對螺旋隔板光滑管換熱器的流動與傳熱性能進行了模擬,獲得了換熱器的優化結構和操作條件[5-6]。文獻[7-8]的實驗研究表明,螺旋隔板與三維翅片管搭配具有顯著的強化傳熱效果,且優于二維翅片管。本文是在前期工作基礎上,采用數值方法對螺旋隔板三維翅片管換熱器的殼程流動與傳熱性能進行研究,并與光滑管進行性能對比,從而揭示三維翅片的強化傳熱機理,并為螺旋隔板三維翅片管換熱器的設計提供參考。     1·實驗系統     實驗采用潤滑油(牌號:Mobilther Ligh,t 603)與水換熱為研究對象,由于潤滑油具有高的黏度和低的導熱系數,因此比水的傳熱系數低得多,需進行傳熱強化。實驗流程如圖1所示。                    它主要由螺旋隔板套管換熱器、油箱、水箱和測量系統組成。潤滑油在油箱中被加熱到給定溫度后,經油泵送到螺旋隔板套管換熱器的殼程并繞隔板進行螺旋流動。來自水箱的冷卻水在管內流動并與殼程潤滑油呈逆流換熱。實驗部分冷卻水和潤滑油的溫度由直接連接到電腦的數據采集儀獲得;冷卻水的流量用玻璃轉子流量計測得,油流量用橢圓齒輪流量計及秒表測量并計算得到,殼程的進出口壓力差由U型管壓力差計測得,油箱里的油溫用恒溫控制裝置調控。為便于固定螺旋隔板,需先將光滑管加工成螺旋槽管,再加工三維翅片,隔板在管外沿螺旋溝槽纏繞,其示意圖如圖2所示。                    實驗管為銅材,螺旋隔板為鉛材。將纏繞螺旋隔板的三維翅片管和光滑管分別套入內徑為27mm的圓管內構成螺旋隔板套管換熱器,隔板間距為17.6mm,螺旋隔板厚度為1.2mm,螺旋角約40°,隔板的外圓直徑與外套管內徑負偏差低于1 mm,傳熱管有效長度為570mm。三維翅片管由16mm×1.5mm的光滑管進行加工,結構參數見表1。作為傳熱性能對比的光滑管,參數也為16mm×1.5mm。                    2·數據處理方法     從能量平衡的計算值來看,水側和油側的能量平衡偏差小于2%,由此可見實驗系統可靠。實驗研究之目的是獲得螺旋隔板套管換熱器殼程的傳熱系數。殼程傳熱系數αo從如下總傳熱系數的常用公式計算:          式中:Ko是基于光滑管外表面積為基準的總傳熱系數,Ai為管內表面積,Ao為光滑管的外表面積,R為管壁熱阻。αi是管內對流傳熱系數,由于管內表面形成了螺旋凸肋,則不可采用Dittus-Boelter關系式計算,需采用威爾遜圖解法[9]求解。殼程Nusselt數Nuo,可用下式表示:          式中:dh為殼程流道的當量直徑,λ為油的導熱系數。     3·傳熱與壓降實驗結果     從圖3和圖4中可以看出,隨著殼程油流體Reynolds數的增大其Nusselt數和壓降也提高,在相同Reynolds數下,三維翅片管的Nusselt數是光滑管的2. 2—2. 9倍,而壓降則是光滑管的2. 3倍左右。這說明在螺旋流條件下,三維翅片能強化油流體的對流傳熱。                                  實驗系統測量參數的最大誤差:溫度0. 02℃,水流速0. 03 L/min,油流速0. 05 L/min,管長0. 5 mm,管直徑0. 01 mm,隔板間距0. 5 mm,隔板高度0. 5 mm。根據Kline等[10]的誤差傳遞公式計算出殼程Nusselt數最大誤差為4. 1%,壓降誤差為±0. 2 kPa。     4·數值模擬結果     Fluent是對換熱器的流動與傳熱性能進行數值模擬的常用軟件,第1步采用該軟件的GAMBIT前處理軟件來模擬幾何形狀及生成網格。第2步將生成的網格導入Fluent軟件并針對邊界條件和材料物性進行數值模擬。本文中,殼程和管程出口邊界條件設為壓力出口,需要設定的參數是流體溫度、出口當量直徑、紊流強度。在這里采用k-epsilon RNG模型計算流體的流動與傳熱特性。     圖5為Y-Z直角坐標體系內管程和殼程的速度矢量圖,對于光滑管,坐標參數為X=0,Z=250—285 mm;對于三維翅片管,坐標參數則為X=0,Z=256—291 mm。管程Reynolds數Rei=24 000,殼程Reynolds數Reo=2 200。從圖中可以看出,無論是光滑管還是三維翅片管,管程流體水為完全湍流,速度矢量非常紊亂。而從殼程來看,螺旋流條件下,光滑管表面的速度矢量十分均勻、穩定;而對于三維翅片管,由于翅片激發流體產生湍動,速度矢量受翅片干擾形成渦旋和二次流,變得不規則,從而強化了流體的對流傳熱,同時導致流體流動壓降增加。     圖6和圖7分別是螺旋隔板三維翅片管換熱器殼程Nusselt數和壓降的實驗值與模擬值對比。從圖中可以看出,數值模擬值與實驗值結果吻合較好,其最大偏差分別為6. 3%和9. 8%。數值模擬結果均高于實驗的計算值。主要原因是在數值模擬過程中沒有考慮殼體的散熱損失和螺旋隔板產生旁路流和泄漏流的影響,而在實際過程中由于隔板的外圓直徑與外套管內徑存在1 mm左右的負偏差,且某些局部隔板與翅片管表面結合欠緊密,導致旁路流與泄漏的產生,從而導致單位質量流量下傳熱系數與壓降的降低。                     5·結論     通過實驗研究和數值模擬,可以得出如下結論:     (1)在相同殼程Reynolds數下,螺旋隔板三維翅片管換熱器的殼程Nusselt數是光滑管換熱器的2.2—2. 9倍,而壓降則是2. 3倍左右,說明三維翅片管能顯著地強化油的對流傳熱。     (2)Fluent軟件的數值模擬結果表明,螺旋隔板光滑管套管換熱器殼程速度場均勻、穩定,而螺旋隔板三維翅片管套管換熱器的殼程由于翅片的擾動導致速度場不規則,形成了渦旋和二次流,從而強化了油的對流傳熱。     (3)螺旋隔板三維翅片管換熱器的殼程Nusse數和壓降的數值模擬值與實驗計算值吻合良好,說明這種模擬方法較可靠。     參考文獻:略
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