圓形翅片管換熱器傳熱性能的影響因素分析

圓形翅片管換熱器傳熱性能的影響因素分析

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在石油、化工等領(lǐng)域，由于其良好的密封和抗壓能力，管道成為一種廣泛使用的化工設(shè)備。正是由于它的廣泛應(yīng)用,強(qiáng)化傳熱技術(shù)在管殼式換熱器上的研究一直是技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。其中一種強(qiáng)化傳熱手段就是在熱管的表面進(jìn)行修飾,這一手段吸引了全世界諸多科學(xué)工作者的關(guān)注。幾十年前,人們就通過在傳熱管表面加裝翅片的方法進(jìn)行強(qiáng)化傳熱,翅片管應(yīng)運(yùn)而生。近幾年,關(guān)于圓形翅片管換熱器的各參數(shù)對傳熱性能影響的研究也有許多,多集中于對翅片間距、翅片厚度、翅片半徑及數(shù)目的優(yōu)化,還有一些研究是集中于換熱條件、翅片材料等對傳熱效率的影響,但是,都沒有考慮翅片管縱向管間距的變化及管束排列方式的影響。筆者通過實(shí)驗得到了雷諾數(shù)(Re)、縱向管間距(Sl)及管束排列方式對換熱器性能的影響規(guī)律,再利用數(shù)值模擬方法對實(shí)驗結(jié)果從速度分布與場協(xié)同2個方面進(jìn)行驗證,考察了這3種因素對換熱器傳熱性能的影響。1實(shí)驗部分1.1翅片管的布置改變換熱器管束排列及管間距的傳熱性能實(shí)驗裝置的主要部分為一個碳鋼板材質(zhì)的內(nèi)插翅片管的矩形通風(fēng)管道。該通風(fēng)管道長l=2000mm,寬b=350mm,高H=360mm,內(nèi)插9排翅片管,翅片管的布置方式及數(shù)目見圖1。翅片管直徑Dr=16mm,翅片直徑Df=32mm,翅片厚度tf=1mm,翅片之間的間距Y=6mm,每根翅片管上有57個翅片。翅片管的橫向間距保持不變(St=66mm),縱向管間距(Sl)分別取66、110、120和130mm。實(shí)驗時只對第6~8排翅片管通入蒸氣進(jìn)行加熱,并將溫度維持在300K,前5排翅片管是為使空氣流動達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)而設(shè),第9排翅片管是為避免出口處對換熱的干擾而設(shè)。1.2溫度測定和測量溫度圖2為改變換熱器管束排列及管間距的傳熱性能實(shí)驗裝置的示意圖?？諝饨?jīng)離心風(fēng)機(jī)驅(qū)動進(jìn)入管道內(nèi),經(jīng)過笛形管段、入口段、實(shí)驗測試段后流出通道,空氣入口處的流量可由笛形管測得。采用銅-康銅熱電偶測定各測溫點(diǎn)溫度并由數(shù)據(jù)采集儀讀取,其中空氣入口與出口處采用多點(diǎn)測溫,取平均值。采用補(bǔ)償微壓計測量溫度段的壓降。實(shí)驗時,打開風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)頻率控制器及鍋爐開關(guān),控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量和蒸汽溫度,在趨于穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù)。然后改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量,測得在不同Re的2種排列方式下不同管間距的換熱和阻力大小。2模擬方法：加熱設(shè)備的傳熱性能值2.1動態(tài)涉及的模型由于圖1中所示圓形翅片管換熱器結(jié)構(gòu)的對稱性,在建模軟件Gambit中建立模型時可取圖1中陰影部分簡化模型,采用三維雙精度解法器進(jìn)行計算。設(shè)置邊界條件時,假設(shè)管壁為常溫壁,忽略管壁厚度對導(dǎo)熱的影響,忽略翅片與管壁間的接觸熱阻,認(rèn)為翅片根部溫度與管壁溫度一致,忽略輻射換熱。任何流動與傳熱過程都受連續(xù)性方程、動量方程和能量方程支配,在此不一一進(jìn)行描述。模型的進(jìn)、出口分別設(shè)為速度入口及壓力出口。在實(shí)際計算過程中,為了避免在出口段出現(xiàn)回流現(xiàn)象,將出口處計算區(qū)域適當(dāng)延長。由于近壁面區(qū)域溫度變化劇烈,因此對近壁面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,湍流模型采用RNGκ-ε雙方程模型,速度和壓力耦合采用SIMPLE算法,壓力離散為Standard,動量、湍動能、湍動能耗散率、動量的離散均采用二階迎風(fēng)格式,整個區(qū)域除能量的殘差控制在10-9以下,其余物理量的殘差均控制在10-6以下。2.2節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗為了得到網(wǎng)格獨(dú)立的解,以矩形排列方式下Sl=66mm時風(fēng)速u=5.3m/s為例,對不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)格進(jìn)行計算,檢查其網(wǎng)格獨(dú)立性,計算結(jié)果如圖3所示。綜合考慮計算精度的要求和計算機(jī)配置的實(shí)際情況,所采用網(wǎng)格數(shù)為289224。從圖3可以看出,采用的網(wǎng)格對模擬結(jié)果具有獨(dú)立性。對于其他的計算模型均進(jìn)行網(wǎng)格檢查,在此就不一一進(jìn)行列舉。2.3強(qiáng)化傳熱評價綜合因子的確定通過實(shí)驗得出雷諾數(shù)Re、管束排列方式及管間距對傳熱性能的影響,再通過數(shù)值模擬的方法對影響結(jié)果進(jìn)行分析。當(dāng)在考察某一因素的影響時,保持其他參數(shù)不變。雷諾數(shù)Re、努塞爾數(shù)Nu及阻力系數(shù)f分別由式(1)~(3)計算。順排和叉排時圓形翅片管換熱器傳熱系數(shù)的計算公式分別為式(4)、(5)。對于強(qiáng)化傳熱效果的評價,采用PEC(Performanceevaluationcriteria)作為評價準(zhǔn)則較為合適,強(qiáng)化傳熱評價綜合因子η由式(6)計算。當(dāng)η>1時,說明改進(jìn)的傳熱方式有強(qiáng)化傳熱的作用;反之則表明改進(jìn)的傳熱方法的綜合傳熱效果不及參照傳熱管的。關(guān)于強(qiáng)化傳熱理論,Guo等曾提出對流換熱的性能不僅取決于流體的速度和物性以及流體與壁面的溫差,而且還取決于流體速度場與流體熱流場間的協(xié)同程度。速度與溫度梯度之間的協(xié)同越好,在其他條件相同情況下?lián)Q熱就越強(qiáng)烈;速度場與溫度梯度2個矢量場的協(xié)同越好就意味著速度與溫度梯度間的夾角應(yīng)盡可能地小,兩者應(yīng)盡量平行,即速度場與溫度場之間夾角余弦值的絕對值越大。場協(xié)同角θ可由式(7)計算,區(qū)域的平均協(xié)同角θm可由式(8)計算。3結(jié)果與討論3.1實(shí)際數(shù)據(jù)處理為了驗證翅片管換熱器(以下簡稱換熱器)傳熱性能實(shí)驗的可靠性以及模擬的準(zhǔn)確性,以Sl=66mm為例,將實(shí)驗和模擬所得的Nu與經(jīng)驗值進(jìn)行比較,結(jié)果列于表1。先由式(4)計算得到傳熱系數(shù),再由式(2)得到順排方式下的Nu經(jīng)驗值;先由式(5)計算得到傳熱系數(shù),再由式(2)得到叉排方式下的Nu經(jīng)驗值。由表1可以看出,實(shí)驗值與經(jīng)驗值的相對誤差在10%以內(nèi),而模擬值與經(jīng)驗值的誤差則在8%以內(nèi),均在可接受的范圍內(nèi),說明實(shí)驗系統(tǒng)和所采用的數(shù)學(xué)模擬可靠。3.2r-lino數(shù)re對換熱器的傳熱性能的影響3.2.1排換熱器的構(gòu)成Re變化范圍為4970~23620,Sl=66mm保持不變,順排和叉排換熱器的Nu及f隨Re的變化如圖4所示。由圖4可以看出,順排和叉排換熱器的Nu和f隨Re的變化趨勢一致,Nu均隨Re的增加而增大,但增長趨勢逐漸下降,而f則隨Re的增加而降低,下降趨勢也隨Re的增加而降低。3.2.2re的影響順排和叉排換熱器的速度矢量與溫度梯度間的夾角θ隨Re的變化示于圖5。由圖5可以看出,隨著Re的增加,2種換熱器的速度矢量與溫度梯度間的夾角均逐漸增加,說明速度矢量與溫度梯度的協(xié)同性隨著Re的增加逐漸變差。速度矢量與溫度梯度的協(xié)同性越差,則換熱器的傳熱性能也會隨之降低,這也是Nu隨Re增加而增加的趨勢逐漸變小的原因。3.3垂直管道距離sl對換熱器性能的影響3.3.1縱向管間距對傳熱性能的影響順排和叉排換熱器在4種不同縱向管間距下的阻力系數(shù)及努塞爾數(shù)隨Re的變化示于圖6。從圖6(a)可以看出,順排換熱器在Sl=66mm時的阻力系數(shù)最小,隨著Sl的增大,阻力系數(shù)不斷增加,但是趨于平緩。而對于Nu值,在Sl=66mm時也是最小,而增加縱向管間距后,其Nu值明顯變大。說明增加Sl后,順排傳熱器的傳熱性能變好。從圖6(b)可以看出,增大Sl后,叉排換熱器的阻力系數(shù)有所下降,與此同時,Nu值也隨著降低,說明叉排換熱器的傳熱性能與順排的相反,隨Sl的增加而降低。圖7為不同管間距下順排和叉排換熱器的綜合傳熱因子(η)隨Re的變化。2種排列方式下均以相應(yīng)的Sl=66mm的傳熱性能作為參照。由圖7可以看出,順排換熱器的η值隨Sl的增大而減小,但其值均大于1,說明增大縱向管間距可以提高順排換熱器的傳熱性能;間距大于110mm后,其η值又有所降低,說明并不是縱向管間距越大越好。在本次實(shí)驗中,Sl=110mm時換熱器的綜合傳熱性能達(dá)到最好。叉排換熱器的η值均小于1,說明增大縱向管間距,其傳熱性能反而不如作為參照的Sl=66mm時的傳熱性能。3.3.2順排換熱器內(nèi)流體速度分布為了得到縱向管間距變化對換熱器流道內(nèi)流速分布的影響,分別在翅片中心位置(A-A)及翅片間的中心位置(B-B)各取1個截面,如圖8所示。圖9為不同管間距下順排換熱器A-A和B-B2個截面處的流線分布。由圖9可以看出,流體在流經(jīng)翅片管時,在翅片后及管后均存在回流區(qū)。在Sl=66mm的A-A截面,由于翅片間空間較小,在有效傳熱表面處回流區(qū)的流體流線最密,傳熱性能最差;從4個間距的B-B截面可以清楚看到,隨著Sl的增加,回流的劇烈程度逐漸減弱,流體流線變稀,傳熱性能變好。由于回流區(qū)的存在影響流體在此處的速度分布,順排換熱器在Re=23620時,不同管間距下A-A截面流體的速度分布示于圖10。由圖10可以看出,在翅片管的下游區(qū)域由于回流的影響,速度基本為零,說明此處存在流動死區(qū),限制了此處熱量與外界的交換?；亓鲄^(qū)占有效傳熱面積的大小會影響換熱情況,面積越大換熱越差,許多研究人員研究縱向渦發(fā)生器的目的就是為了減小回流區(qū)面積。由圖10還可以看出,當(dāng)Sl為66mm時,回流區(qū)面積占相鄰兩翅片間面積的比例最大,傳熱最差;當(dāng)Sl增加到110mm時,回流區(qū)面積占相鄰兩翅片間面積的比例明顯變小;隨著Sl繼續(xù)增加,相鄰兩翅片間的回流面積占整個翅片間面積的比例有所增加,且隨著尾流渦尺寸的增大,流體阻力也隨之增大。從上述回流面積與尾流渦分布的變化可以看出,在Sl為110mm時順排換熱器可獲得最高η值。圖11為叉排換熱器A-A和B-B2個截面在Re=23620和不同Sl下的流線分布。由圖11可以看出,叉排方式下,隨Sl的增加,翅片及管下游的回流區(qū)不斷增加,回流程度加強(qiáng),說明增大Sl后,翅片下游的流動死區(qū)面積也在不斷增加。圖12為在不同Sl下叉排換熱器翅片中心面處的速度分圖。由圖12看到,流體速度分布隨Sl的變化與圖9中回流區(qū)的變化一致,叉排方式下Sl為66mm時的回流面積占相鄰兩翅片間面積的比例最小,即流動死區(qū)面積最小,此時傳熱性能最好;隨著Sl增加,回流面積明顯變大,傳熱性能下降,與傳熱綜合因子的變化趨勢一致。說明不管是順排還是叉排,要提高翅片管換熱器的傳熱性能,減小翅片下游的回流區(qū)面積是其中一個方法。3.3.3sl和sl對傳熱協(xié)同性的影響不同排列方式換熱器在不同管間距下協(xié)同角隨Re的變化示于圖13。從圖13可以看出,順排換熱器在Sl=66mm時,協(xié)同角最大,傳熱的協(xié)同性最差;Sl=110mm時,協(xié)同角最小,傳熱的協(xié)同性最好;Sl>110mm時,協(xié)同角雖然比Sl=66mm時的小,但是隨著Sl的繼續(xù)增加,協(xié)同角也增大,說明傳熱性能最佳值在Sl=110mm處。叉排換熱器的協(xié)同角隨著Sl的增加而增加,說明傳熱性能隨著Sl的增加而減小,在Sl=66mm時最好。以上結(jié)果與綜合傳熱因子的變化趨勢相一致,說明場協(xié)同理論能夠很好地解釋傳熱性能變化的原因。從圖13也可以看出,2種換熱器在不同Sl時協(xié)同角均隨Re的增加不斷變大,說明傳熱的協(xié)同性隨Re的增加而變差。3.4縱向管間距的影響將順排換熱器相應(yīng)管間距下的傳熱性能作為參照,得到的叉排換熱器的η值隨Re的變化如圖14所示。由圖14可以看出,叉排換熱器η值均大于1,說明在4種不同縱向管間距下,其傳熱性能要優(yōu)于順排換熱器的。而圖13中叉排換熱器各間距下的協(xié)同角明顯要小于順排式相應(yīng)管間距下的協(xié)同角,這主要是由于叉排排列不僅通過在管壁上加裝肋片來改善傳熱,而且通過管束的交叉排列,使流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動,增強(qiáng)了擾動效果,而并不像順排時的流道相對平直,易在管子及翅片下游區(qū)域形成滯流區(qū),因此叉排換熱器的傳熱效果要明顯優(yōu)于順排換熱器的傳熱效果。4管間距sl對翅片管換熱器傳熱性能的影響(1)順排和叉排圓形翅片管換熱器的努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f均隨雷諾數(shù)Re的增加而增大,且增長趨勢逐漸下降,這是由于隨著Re的增加,速度場與溫度梯度間協(xié)同角也不斷變大的緣故。(2)順排圓形翅片管換熱器綜合傳熱性能隨管間距Sl的增加而增大,在Sl=110mm時達(dá)到最大。此時翅片下游的回流區(qū)面積最小,速度場與溫度梯度間的夾角最小,尾流的渦尺寸適中,這解釋了η值可達(dá)最大的原因。叉排圓形翅片管換熱器的綜合傳熱性能變化與順排圓形翅片管換熱器的不同,隨Sl的增加而降低,在Sl=66mm時傳熱性能最好。此時翅片下游的回流區(qū)面積、速度場與溫度梯度間的夾角最小,尾流的渦尺寸最小,這也解釋了η值可達(dá)最大的原因。(3)叉排圓形翅片管換熱器的綜合傳熱性能要明顯優(yōu)于順排的,從2種排列下相應(yīng)管間距下的協(xié)同角的變化也可以得到該結(jié)果。管的阻力及管排數(shù)A0———每米翅片管的管外表面積,m2/m;ρ———空氣密度,kg/m3。A*0———每米光滑管外表面積,m2/m;Af———每米翅片管的翅片表面積,m2/m;b———通風(fēng)管道寬度,mm;Cp———比熱容,kJ/(kg·K);Df———翅片直徑,mm;Dr———翅片管直徑,mm;f———阻力系數(shù);f0———參照傳熱管的阻力系數(shù);Gmax———流過管束流體的最大質(zhì)量速度,kg/(m2·h);H———通風(fēng)管道高度,mm;hair———空氣側(cè)傳熱系數(shù),W/(m2·K);l———通風(fēng)管道長度,mm;n———翅片管的管排數(shù);Nu0———參照傳熱管的努塞爾數(shù);Nu———努塞爾數(shù);Δp———壓力降,Pa;Re———雷諾數(shù);St———橫向管間距,mm;Sl———縱向管間距,mm;T———溫度,K;tf———翅片厚度,