哈雷釬焊板式換熱器
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                套管換熱器湍流對流換熱的數值模擬

                點擊:1867 日期:[ 2014-04-26 22:14:06 ]
                                             套管換熱器湍流對流換熱的數值模擬                                  1.俞接成 1.吳小華 2.劉全 (1 北京石油化工學院熱能與動力工程系,北京102617;2 中國第一重型機械集團大連加氫反應器制造有限公司,大連116113)     摘要:為了獲得換熱器中強化換熱管對換熱性能的綜合影響,筆者運用FLUENT軟件,采用二維軸對稱方法和K一ε模型對套管換熱器的整體進行了數值模擬。分別模擬了光管和波紋管套管換熱器在湍流情況下的換熱性能。數值計算結果表明:光管套管換熱器的總傳熱系數K 的數值計算結果與經驗公式計算結果吻合很好;與光管相比,在相同流動條件下波紋管可提高總傳熱系數120,但隨著Re增大,其影響逐漸減小。     關鍵詞:套管換熱器;波紋管;數值模擬;強化換熱     中圖法分類號:TK121     隨著能源的日益緊張,人們對強化換熱的研究日益重視。套管換熱器是進行強化換熱管性能實驗研究的主要實驗裝置,許多強化換熱管的強化換熱性能都是利用套管換熱器來進行的。隨著計算機硬件、計算流體力學和計算傳熱學的不斷發展,數值模擬已經成為傳熱學研究的一種重要方法。在強化傳熱管研究方面,數值模擬也被廣泛應用。但在研究中,普遍的做法是取換熱管的一部分,將其設置為等壁溫或等熱流邊界條件,然后按流動與傳熱均已充分發展的情況來進行模擬。這樣處理將無法考慮進口段對換熱的影響,而且不能獲得強化換熱管對管外流體流動和換熱的影響。如果能對整個套管換熱器進行模擬,則可以獲得強化換熱管的整體換熱性能,與實際的實驗工況更為接近。目前尚未檢索到有關對整個套管換熱器進行數值模擬的文獻報道。     筆者將嘗試采用二維軸對稱方法,應用FLUENT軟件對在湍流情況下的整個套管換熱器的對流換熱情況進行數值模擬。由于FLU—ENT軟件中有多種湍流模型可供選擇,首先模擬了光管充分發展湍流、等壁溫條件下的努塞爾數和摩擦系數,并將數值計算結果與經驗公式進行比較,以確定合適的湍流模型和FLUENT軟件的其他選項。然后再對光管套管換熱器的換熱性能進行數值模擬,比較總傳熱系數K 的數值計算結果與運用經驗公式計算結果。在此基礎上對波紋管套管換熱器非換熱性能進行模擬,并將其與光管套管換熱器的總傳熱系數進行對比,分析波紋管對總傳熱系數K 的影響。     2 物理模型和邊界條件     2.1 湍流模型的選擇     在FLUENT軟件中,有多種湍流模型可供選擇,如志K一ε湍流模型、雷諾應力模型(RSM)等,為確定合適的湍流模型FLUENT軟件中的選項,首先模擬了以水為介質、等壁溫熱邊界、直徑為20mm的光管在充分發展湍流情況下的對流換熱問題,假定水為常物性,其物性參數引用FLUENT數據庫中的值。分別模擬了雷諾數Re分別等于1萬、2萬、4萬、6萬、8萬和1O萬六種流動情況,并將數值模擬所獲 得的摩擦系數f和努塞爾數Nu與經驗公式進行比較:                                            結果表明:當選用標準K一ε湍流模型,并選擇強化壁面處理方式的模擬結果與經驗公式最吻合,數值計算結果與經典經驗公式的對比如圖1所示。在Re較小(Re=1×104)時的誤差相對較大,摩擦系數f和努塞爾數Nu的最大誤差分別為8.94 和9.85 ,其他Re下的數值模擬結果與經驗公式的誤差較小。在后面對套管換熱器的模擬中將采用標準K一ε湍流模型并選擇強化壁面處理方式進行模擬。                                                               圖1 充分發展湍流f、Nu“的數值計算結果與經驗公式的對比     2.2 物理模型和邊界條件     采用二維軸對稱方法對套管換熱器進行模擬,分別模擬了光管和波紋管兩種情況,其中換熱管的長度為2 m,套管的直徑為40 mm,光管直徑為20 mm,波紋管的結構尺寸如圖2所示。                        應用GAMBIT軟件對套管換熱器進行建模和網格劃分,不考慮壁厚的影響,整個套管換熱器共劃分了16萬個網格,設置了管內和環形空問兩個流動區域,在FLUENT軟件中可分別設置為不同的介質,在本文中均設為水,并假定是常物性,管內和套管的流動為逆流。其他的邊界條件為:套管壁面絕熱,光管或波紋管的壁面設為耦合條件,管內或環形空間的人口設為質量流量人口,流量大小根據計算的雷諾數Re進行確定,模擬了管內和環形空間的雷諾數相等,并分別等于l萬、2萬、4萬、6萬、8萬和10萬六種工況,管內人口溫度設為350 K,套管的人口溫度設為300 K。出口均設為壓力出口條件。     3 數值計算結果分析     3.1 光管套管換熱器     當內管為光管時,總對流換熱系數K1可分別由數值模擬和經驗公式計算獲得。由經驗公式計算時,先由公式(1)計算管內和管外的努塞爾數Nu,進而由式(3)和式(4)計算K1,根據數值模擬時所作的簡化,不考慮壁面熱阻和污垢熱阻。                           數值模擬時,由FI UENT軟件求得內管壁面的換熱量Q和內管套管的出口體平均溫度,求出對數平均溫差△tm,然后由傳熱方程式(5)計算總傳熱系數K2:                           六種工況總傳熱系數的數值計算結果和由經驗公式計算結果的比較如圖3所示,從圖3中可以看出,光管套管換熱器的總傳熱系數的數值計算結果與經驗公式非常吻合,最大誤差為8.77 ,因此運用FI UENT軟件,采用二維軸對稱方法對光管套管換熱器進行數值模擬完全能滿足工程要求,為進一步應用數值模擬方法研究強化換熱管的整體換熱性能提供了保障,克服了以往的數值計算中只考慮對管內換熱性能的研究而忽略強化傳熱管對管外流體流動和換熱的影響。     3.2 波紋管套管換熱器     用FIUENT軟件對長2 m、結構尺寸如圖2所示的波紋管代替光管的套管換熱器進行了數值模擬,FIUENT 中的各項設置、模擬工況以及數據處理方法與模擬光管時相同,在各工況下波紋管套管換熱器的總傳熱系數Kc與光管套管換熱器的總傳熱系數Ks的比值Kc/Ks如圖4所示。                                         從圖4中可以看出,對于同樣尺寸的波紋管在小雷諾數時,對換熱的強化比較顯著,如在Re=1×104時,相對與光管,波紋管套管換熱器的總傳熱系數提高了120%,但隨著雷諾數的增大,對總傳熱系數的影響逐漸減小,如當Re≥6×104后,波紋管對總傳熱系數的提高不超過30%,并趨于穩定。     圖5是Re=20 000時,x=1m處波紋管套管換熱器管內和管外流體流動的流線圖,從圖5可以看出,波紋管同時影響管內和管外流體的流動,在管內和管外同時形成漩渦,從而使換熱得到強化。                          4 結論     運用FLUENT軟件,采用二維軸對稱方法和標準K一ε湍流模型對湍流情況下2m長的光管和波紋管套管換熱器的對流換熱情況進行了數值模擬,并在近壁面選擇強化壁面處理方式。數值計算結果表明:光管套管換熱器的總傳熱系數K 的數值計算結果與經驗公式計算結果吻合很好,最大誤差為8.77 %,表明運用FLUENT對套管換熱器的數值模擬方法可行;與光管相比,在相同流動條件下波紋管可提高總傳熱系數120%,但隨著Re增大,其影響逐漸減小,其強化程度不超過30%。通過對套管換熱器的整體模擬,可獲得強化換熱管對管內和管外換熱性能的綜合影響。     參考文獻     [1]陶文銓.計算傳熱學的近代進展[M].北京:科學出版社,2001.     [2]孟繼安,李志信,過增元,等.螺旋扭曲橢圓管層流換熱與流阻特性模擬分析EJ].工程熱物理學報,2002,23(增刊):117-120.     [3]孟繼安,李志信,過增元.不連續雙斜向內肋強化換熱管性能EJ].化工學報,2005,56(6):995—998.     [4]金志浩,王關晴,劉 潔,等.波紋板內流體流動特性的數值模擬[J].水動力學研究與進展A,2004,19(1):26—30.     [5]孫東亮,樊菊芳,王良璧.內螺紋肋管內流動與傳熱的數值模擬[J].工程熱物理學報,2005,26(3):483—485.     [6]孫東亮,王良璧.含扭曲帶管內流動與傳熱的數值模擬EJ].化工學報,2004,55(9):1213—1218.     [7]楊世銘,陶文銓.傳熱學(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1998.
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