哈雷釬焊板式換熱器
                專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
                新聞動態

                螺旋隔板套管換熱器殼程傳熱與壓降的數值模擬

                點擊:1736 日期:[ 2014-04-26 22:06:33 ]
                                       螺旋隔板套管換熱器殼程傳熱與壓降的數值模擬                            1.肖興 2.湛立智  2.張正國   2.高學農 (1.廣州赫爾普化工有限公司,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]以水-潤滑油換熱為對象,對螺旋隔板套管換熱器的殼程傳熱與壓降性能進行了實驗研究與數值模擬。通過威爾遜圖解法獲得了管程的傳熱系數,并計算出了殼程的努塞爾特準數。采用 Fluent 軟件模擬了潤滑油在螺旋隔板套 管換熱器殼程層流流動時的流場、溫度場以及傳熱與壓降性能。結果表明,流體在螺旋隔板換熱器的殼程流動均勻,在隔板附近沒有返混和流動死區,但溫度梯度最大。在相同雷諾常數下,殼程的努塞爾特準數和壓降模擬值分別比實驗值 高 1.3 %~8 %和 4 %~38.1 %,模擬值與實驗值吻合較好。     [關鍵詞]螺旋隔板;數值模擬;傳熱;壓降     殼管式換熱器廣泛應用于化工、石油、冶金、動力及制冷等領域,傳統的殼管式換熱器都采用弓型隔板結構,這種結構的換熱器殼程流體阻力、存在流動死區及旁路流和泄漏流,導致換熱器的傳熱性能很低。螺旋隔板換熱器是近年來發展起來的新型換熱器結構,國內外許多學者對螺旋隔板換熱器進行了大量的研究工作。Kral 等人[1]以有機玻璃的模型換熱器為對象,采用染料作為示蹤劑的“刺激-響應技術(stimulus-responsetechnique)”,研究了螺旋隔板換熱器殼程流體的流動特性。結果表明:殼程流體類似于塞狀流(plug flow)流動且幾乎沒有反混和流動死區。Wang Shuli[2]采用 LDA(laser doppler anemometry)技術對螺旋隔板換熱器的殼程流場進行了測量,并研究了螺旋角的變化對流場的影響??傮w來看,隨著螺旋角的減少,線速度和脈沖速度增大,從而有利于促進傳熱,但流體的流動損失也增大。Andrews 和 Master[3]采用三維計算流體力學(CFD)方法對 ABB 公司制造的螺旋隔板換熱器進行了性能分析,研究螺旋角分別為 10o、25o、40o條件下螺旋隔板換熱器殼程流動與壓降性能。結果表明,隨著螺旋角的增大,流體更接近于塞狀流,模擬的壓降與 ABB 公司螺旋隔板換熱器的傳熱關系式計算結果較吻合。鄧斌等人[4]采用多孔介質、分布阻力模型、階梯逼近技術對空氣與水換熱的螺旋隔板換熱器殼程的流動進行了三維數值模擬,數值模擬結果表明,在相同的進口內徑和進口流量條件下,螺旋隔板換熱器的殼側壓降明顯低于弓型隔板換熱器,計算所得的進出口總壓降與實驗值之間的偏差大部分在14 %以下。張少維等人[5]采用計算流體動力學分析方法建立了水-水換熱的螺旋隔板換熱器的數學模型,并利用 CFD 分析軟件 Fluent 模擬換熱器殼程流動特性,得到了換熱器殼程的流場分布,并與弓型隔板換熱器殼程的流動特性進行了對比。李大為等人[6]以水-水換熱器為對象,利用 Fluent 軟件,對螺旋隔板換熱器三維實體內的流體流動和傳熱進行了數值模擬,重點研究了湍流條件下換熱器殼程流體入口的壓降以及不同結構對壓降的影響,并提出了入口結構的改進方法。     從目前的文獻看,對螺旋隔板換熱器殼程的傳熱與壓降性能同時進行實驗研究和數值模擬方面的工作未見報道。本文以水-美孚潤滑油(Mobilther Light,603)換熱為實驗對象,對螺旋隔板套管換熱器的殼程傳熱與壓降性能進行了實驗研究,并利用 Fluent 軟件對殼程傳熱與壓降進行了數值模擬。結果表明,模擬結果與實驗結果吻合較好。     1 實驗系統     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(DataAcquisition/Switch Unit)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溫度。     為便于固定螺旋隔板,需先將光滑管加工成螺旋槽管,隔板在管外沿螺旋購槽纏繞,如圖 2 所示。將纏繞螺旋隔板的光滑管套入內徑為 27 mm 的圓管內構成螺旋隔板套管換熱器,隔板間距為 17.6 mm,螺旋隔板厚度為 1.2 mm,螺旋角約 400,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 570 mm。光滑管的參數為Φ16×1.5 mm,管內壁螺旋凸肋的高度寬度約為 0.5 mm。                     2 殼程 Nu 數的計算方法     由于加工螺旋槽管,管內就形成了螺旋凸肋,因此管內水的對流傳熱系數未知,而且本實驗中直接測量壁溫來計算殼程傳熱系數很困難。在這種條件下,經常是采用威爾遜圖解法[7]獲得管內的對流傳熱系數,再計算出管外的對流傳熱系數。                      圖 3 為威爾遜圖解法的實驗結果,從圖中可以得出螺旋隔板光滑管套管換熱器的管程對流傳熱系數關系式如下:                     3 數值模擬方法     利用 GAMBIT 軟件生成螺旋隔板光滑管的幾何模型,并進行網格劃分。由于光滑管內壁有螺旋凸肋,結構比較復雜,故管壁和管內流體均采用四面體網格。殼程和螺旋隔板幾何外形規則,采用六面體網格。網格數量分別為:管程 755897、殼程191620、螺旋隔板 15660,管壁 262103。網格劃分見圖 4。                     本實驗中,殼程 Re<2300,其流動為層流,因此設定粘性模型為層流模型;而管程流體 Re>10000,為旺盛湍流,則設定粘性模型為 k-epsilon (2-equation) RNG 模型。壓力與速度采用SIMLPEC 耦合。     4 實驗結果與分析     4.1 殼程流場與溫度場     圖5和6分別為x=0 mm、 y=-13.5~13.5 mm、z=500~565 mm位置處管程與殼程的溫度等高圖和速度矢量圖。管程雷諾常數Re=19000,殼程雷諾常數 Re=2110。                                            從圖 5 可以看出,在殼程的管壁和隔板處存在明顯的溫度梯度,且以隔板處溫度梯度最大。從圖 6 可以看出,由于油在殼程呈螺旋流動,流動比較均勻,在隔板附近沒有流動死區,流動速度變化比較平緩,沒有出現弓型隔板附近主流速度變化劇烈的現象。由于管程水流體呈旺盛湍流,流速方向很混亂。     4.2 實驗結果與數值模擬結果的比較     圖 7 和圖 8 分別是殼程努塞爾特準數和壓降的實驗值與模擬值的對比。從圖中可以看出,隨著 Re 數的增加,Nu 準數和壓降也在逐步增加,實驗值與模擬值的增長趨勢基本一致。在相同的 Re 數條件下,殼程的 Nu 準數模擬值比實驗值高 1.3 %~8 %,而壓降的模擬值比實驗值高 4 %~38.1 %。其原因是由于 實驗中的螺旋隔板因工藝條件的限制,不能加工成嚴格意義上的螺旋型,而模擬計算時,則隔板是嚴格意義上的螺旋形式,并且模擬時隔板與殼體之間沒有泄漏,與管壁之間緊密接觸,沒有接觸熱阻,而實際中,隔板與殼體內壁存在一定的間隙,且隔板與光滑管壁還存在接觸熱阻。因此模擬出來的 Nu 數和壓降都要要比實驗值大一些。                                             5 結論     本文對螺旋隔板套管換熱器的殼程流動與傳熱進行了數值模擬,并將模擬結果與實驗值進行了對比。結果表明,流體在殼程螺旋流道內的流速比較均勻,在隔板附近溫度梯度最大,沒有繞流現象。在相同雷諾常數下,殼程的 Nu 準數和壓降模擬值分別比實驗值高 1.3 %~8 %和 4 %~38.1 %。模擬值與實驗值吻合較好。
                上一篇:主換熱器通道的堵塞原因分析和處理 下一篇:板式換熱器結垢的清洗方法及堵塞的危害性

                相關資訊

                Copyright ?2008 哈雷換熱設備有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技園西塢金水路 電話:0086-574-88928255 傳真:0086-574-88916955
                換熱器 | 板式換熱器 | 釬焊板式換熱器 | 冷卻器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式換熱器 | 網站地圖 | XML 浙ICP備09009252號 技術支持:眾網千尋
                国产在线无码视频一区二区三区