不同螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動(dòng)的數(shù)值研究

1、    不同螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動(dòng)的數(shù)值研究                         更新時(shí)間：2009-10-23 14:47:27              

2、0;                                                 

3、0;       王晨桑芝富                                 (南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)    摘要:采用數(shù)值模擬方法,

4、運(yùn)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(dòng)特點(diǎn),并與傳統(tǒng)的 弓形折流板換熱器進(jìn)行對比。采用Gambit軟件建立模型和劃分網(wǎng)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(jié)果認(rèn)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(guān)

5、鍵詞:螺旋折流板換熱器殼程流體傳熱數(shù)值模擬     引言     螺旋折流板換熱器是伴隨高效傳熱技術(shù)的廣泛 開展而產(chǎn)生的一種新型節(jié)能管殼式熱交換設(shè)備, 廣泛應(yīng)用于石油、化工及天然氣領(lǐng)域。目前,有關(guān) 螺旋折流板換熱器的研究工作多數(shù)以扇形折流板結(jié) 構(gòu)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(jié)構(gòu)和操 作參數(shù)對螺旋折流板換熱器性能的影響。 在已有的研究工作中,關(guān)于不同螺旋折流板結(jié)構(gòu) 對換熱

6、器性能影響的報(bào)道并不多見。筆者采用 數(shù)值模擬方法,運(yùn)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(dòng)特點(diǎn),并與傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器進(jìn)行對比,為 螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。    螺旋折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)    不同結(jié)構(gòu)的折流板如圖1所示,其中3種螺旋 折流板均由標(biāo)準(zhǔn)橢圓切割得到,在布置折流板時(shí)均 以標(biāo)準(zhǔn)橢圓的短軸為旋轉(zhuǎn)軸。其區(qū)別在于:

7、1/4橢圓 螺旋折流板由標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)橢圓的短軸對 稱,折流板夾角1應(yīng)大于90°,且隨螺旋角的不同而變化。這2種結(jié)構(gòu)的一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)橢圓的 短軸對稱,但折流板夾角2在螺旋角相同的條件 下應(yīng)大于14扇形螺旋折流板的夾角1且在殼體橫 截面上的投影為120°,一個(gè)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(shí)際

8、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?yàn)槠湓趽Q熱器殼體橫截 面上的投影是嚴(yán)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(jié)省材料的角度考 慮,1/4橢圓螺旋折流板具有明顯的優(yōu)勢。                &

9、#160;         數(shù)值計(jì)算模型    1·計(jì)算模型    數(shù)值計(jì)算模型均采用U形管換熱器結(jié)構(gòu),結(jié) 構(gòu)形式為12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(jié)構(gòu) 參數(shù),其中弓形折流板的缺口弦高為0·32倍的殼 體內(nèi)徑。    

10、;                  2·計(jì)算方法和邊界條件    采用Gambit軟件建立模型和劃分網(wǎng)格,由于螺 旋折流板在殼程的布置為螺旋形,是復(fù)雜的三維模 型,所以采用四面體和金字塔網(wǎng)格來劃分,網(wǎng)格總 數(shù)約120萬。采用分離變量法隱式求解,保證收斂 的穩(wěn)定性,標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型考慮湍流效應(yīng)對流動(dòng) 與傳熱的影響,壓力和

11、速度耦合采用Simple算法, 動(dòng)量、能量以及湍流參量的求解采用二階迎風(fēng)格式, 質(zhì)量及能量計(jì)算殘差控制在10-4數(shù)量級。計(jì)算流體 進(jìn)口采用速度入口條件,給定流體流速、溫度及相 應(yīng)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(jié)果分析    1·傳熱與阻力性能    表3是根據(jù)模擬得到的管、殼程進(jìn)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(jié)構(gòu)換

12、熱器殼程N(yùn)usselt準(zhǔn)數(shù)和Euler準(zhǔn) 數(shù)。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(jié)構(gòu)形式的管束,1/4橢圓螺旋折流板換熱器的 傳熱系數(shù)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(shù)的同時(shí)會導(dǎo)致?lián)Q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(xiàn)11的結(jié)論一致。將模擬得到的 Nusselt準(zhǔn)數(shù)和Euler準(zhǔn)數(shù)與文獻(xiàn)11中相同操作 工況下的試驗(yàn)值進(jìn)行比較,可以看出誤差均在可接 受范圍之內(nèi),證明了模擬的可

13、靠性。                     2·流線分布    圖2為軸向z=570740mm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(dòng)。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(xiàn)出近似的螺 旋狀柱塞流動(dòng)。在相鄰2塊弓形折流板之間區(qū)域內(nèi)&#

14、160;流體的流動(dòng)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(dòng)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(qū)域,由于三角 區(qū)的存在,有部分流線幾乎與殼體中心線平行,且 有少量波動(dòng)。這說明在殼體中心

15、區(qū)域存在短路現(xiàn) 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(jié)構(gòu)換熱器中,由于1/4橢圓螺 旋折流板采用連續(xù)搭接,其它2種螺旋折流板采用交 錯(cuò)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(cuò)搭接可以減小 三角區(qū)的面積,從而減少漏流,提高了換熱器的傳熱 性能和流動(dòng)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

16、, 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(jié)構(gòu)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(qū)域,流動(dòng)呈兩 邊比較對稱的爬升或下降流動(dòng)(由折流板窗口位 置決定),2股流體在頂部(或底部)相遇轉(zhuǎn)而流 向管間,構(gòu)成了復(fù)雜的管間流場。而在

17、螺旋折流板 換熱器的管束外圍與殼壁之間區(qū)域,由于換熱管的 擾流作用減弱,呈現(xiàn)出有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)流動(dòng),管間流 體雖然受到換熱管的擾流作用較強(qiáng),但從整體上來 看,依然呈現(xiàn)出一定的旋轉(zhuǎn),并且整個(gè)橫截面上流 速分布比較均勻。                         圖4為軸向z=570740mm處,不同

18、折流板結(jié)構(gòu) 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(qū)域流速較 低,說明在折流板附近存在流動(dòng)死區(qū),而局部區(qū)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(dòng)死區(qū)。 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(gè)螺距內(nèi),平板的數(shù)量越多,所組成的近似 螺旋通道就越接近

19、理想螺旋。同時(shí),相鄰螺旋折流 板之間采用交錯(cuò)搭接結(jié)構(gòu),不僅減小了三角區(qū)的面 積,而且減少了漏流,同時(shí)也會破壞螺旋的連續(xù) 性。結(jié)構(gòu)上的不規(guī)則性和非連續(xù)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(gè)螺距內(nèi)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(gè)螺距內(nèi)的折流板數(shù)量相同,但是前者有少量搭 接,造成三者之間性能的差異。           

20、             結(jié)論    通過數(shù)值模擬研究了3種不同螺旋折流板結(jié)構(gòu) 換熱器的殼程流動(dòng)特點(diǎn),并與普通弓形折流板換熱 器進(jìn)行了對比。結(jié)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(jié) 構(gòu)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