管殼式換熱器殼程流體流動與換熱的數(shù)值模擬

1、    管殼式換熱器殼程流體流動與換熱的數(shù)值模擬                         更新時間：2010-02-04 13:21:17              

2、60;                                              謝洪虎  江楠

3、0;                     (華南理工大學化工機械研究所,廣東廣州510640)    摘要：為了研究縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程流體湍流流動與換熱的工作機理,文中利用FLUENT軟件,在殼程 流體流速設定值不斷改變的情況下,對縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動與換熱進行了三維數(shù)值模擬。得 到了多螺旋流管殼式

4、換熱器在不同的殼程流體流速下的溫度場、速度場、質(zhì)點跡線圖、殼程傳熱膜系數(shù)分布圖等。 根據(jù)模擬得到的結果,從多個方面對縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動與強化傳熱進行了探討。模擬結果 與實驗結果進行了比較,二者誤差約在±11%以內(nèi),吻合良好。    關鍵詞：螺旋扭片;縱向多螺旋流管殼式換熱器;三維數(shù)值模擬    中圖分類號：TK 124文獻標識碼：A文章編號：1005-9954(2009)09-0009-04    應用計算流體力學模擬

5、管殼式換熱器無相變殼程流場,最早是在1974年提出,但由于當時受到計算機與計算流體力學條件的限制,研究進展 緩慢1。20世紀80年代以來,換熱器數(shù)值模擬研究才有了較快的開展。對于國內(nèi)外換熱器數(shù)值模 擬研究,采用二維研究的較多2。三維研究方面, 國內(nèi)外學者也做了很多工作,特別是對復雜結構 的管殼式換熱器換熱性能數(shù)值模擬研究,國外較多學者采用復雜結構的換熱管或者管程內(nèi)插物來模擬研究其對流體流動與換熱的影響,例如:螺旋 槽管、波紋管、內(nèi)插螺旋紐帶等。然而,國外和國 內(nèi)的學者很少有人用數(shù)值模擬的方法去研究插入 物插入管殼式換熱器殼程

6、而不是管程時其對換熱器綜合換熱性能的影響。    殼程換熱管之間插入螺旋扭片,螺旋扭片的 插入可以有效地改變殼程流體的流動形式,使殼 程流體產(chǎn)生多股自螺旋流的復雜流動形態(tài)3,有 效提高換熱管束壁面的流體速度,實現(xiàn)不同殼體 半徑處流體的充分混合,從而達到強化傳熱的目 的。本文利用FLUENT軟件對這種新型縱向多 螺旋流管殼式換熱器的殼程湍流流動及換熱進 行了三維數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結果并對這種利用 螺旋扭片強化換熱器殼程流體換熱的機理進行 了有益的探討。 &#

7、160;  1模擬模型    模擬采用的換熱器為單管程、單殼程和螺旋扭 片結構。換熱器以正方形布管,圖1為螺旋扭片的 Pro/e三維立體示意圖。圖2為換熱管與螺旋扭片 之間定位關系示意圖。                        由于縱向多螺旋流管殼式換熱器的殼程

8、結構比 較復雜,采用四面體網(wǎng)格劃分,管程采用六面體網(wǎng)格 劃分。此模型中邊界類型有4種:進口、出口、管壁 和殼壁4-5。模擬模型的數(shù)學形式建立時,主要考慮 設置管程、殼程內(nèi)流體滿足控制守恒的連續(xù)性方程、 質(zhì)量方程、動量方程以及能量方程等。因殼程流體 處于湍流狀態(tài),進一步設置湍流k-模型。相關設 置完成后,進行了迭代計算,每次迭代210次左右 時,計算收斂,進行其殘差曲線的分析。    2數(shù)值模擬的結果分析及討論    總共模擬了7組實驗數(shù)

9、據(jù),模擬時殼程為熱流 體,進口溫度為60,管程為冷流體,進口溫度為 20。管程流體流量恒定為8 m3/h,殼程的流體流 量開始為5 m3/h,然后以1 m3/h為梯度進行增加, 直到11m3/h。以下是以殼程流體流量為9m3/h進 行模擬時得到的模擬結果。    2.1溫度矢量場圖    圖3為Z=600 mm處的徑向截面的溫度場局 部分布圖(圖中縱坐標溫度變化范圍是290 340 K)。由圖3可

10、看出,從殼程到管程,其溫度是 依次降低的,存在著溫度梯度。管程溫度變化規(guī)律 是越靠近管壁溫度越高。仔細觀察圖3中的殼程流 體可發(fā)現(xiàn),由于螺旋扭片的插入,在殼程流體內(nèi)部, 2 根平行插入的螺旋扭片之間也出現(xiàn)了溫度梯度,這 個溫度梯度一直延續(xù)到與換熱管壁接觸處,其變化 對換熱的影響可從圖中清晰地看到,這是普通光管管殼式換熱器換熱時所沒有的。                

11、     2.2軸線截面流場    殼程流體速度矢量場圖4中的縱坐標表示殼程流體速度大小,其變化范圍是1.52E-025.4E+02m/s。 由圖4可以看出,縱向多螺旋流管殼式換熱器殼 程流體由于受到螺旋扭片的擾流作用,摻混比較劇烈。并且出現(xiàn)了很劇烈的附加螺旋流動6,使邊界層的分離作用增強,提高了殼程流體間的湍 動程度,推動了管程和殼程之間的換熱。換熱效率有較大提高,模擬結果很好地驗證了實驗研究得到的結論。      

12、;              2.3軸線方向流體質(zhì)點跡線圖    圖5為殼程流體沿軸線方向流動時流體質(zhì)點 的跡線圖,圖中縱坐標表示殼程流體質(zhì)點速度變 化范圍是01. 19 E+03m/s。由圖5可以看出,流 體在進行軸向流動的同時,也進行附加螺旋流動。螺旋流動的形式和螺旋扭片的螺旋結構很相似,這是由于螺旋扭片具有螺旋流導向作用,殼程流體沿著螺旋扭片的表面進行流動。進一

13、步研究發(fā)現(xiàn),殼 程流體并不是作為一個整體進行螺旋流動,而是分 成不同的流束,分別沿著不同的螺旋扭片進行流動。                            圖6左、中、右3圖分別為縱向多螺旋流管殼式 換熱器軸線方向Z在100, 600, 1 100mm

14、處徑向截 面流體質(zhì)點跡線圖。由圖6可以看出,殼程流體總 是在圍繞著12根換熱管并且在螺旋扭片的導流向 作用下進行各自的縱向附加螺旋流動。進一步分析 可以看出,沿著軸線方向,流體質(zhì)點的湍流程度是在 不斷加劇的。                        2.4殼程流體沿軸線方向壓降分布圖 

15、0;  圖7為縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程流體 沿軸線方向壓降分布圖。圖中縱坐標表示壓降, 其變化范圍是2001 200 Pa,橫坐標表示換熱器 軸線位置在01 200 mm處。由圖7可以看出,殼 程流體沿軸線方向的壓降具有周期性,壓降趨勢 線由12個小線段構成。而螺旋扭片總長為1 200 mm,螺旋節(jié)距為100 mm,所以螺旋扭片的節(jié)距個 數(shù)為12,二者吻合良好。殼程流體沿軸線方向上 的壓降變化主要是由于扭片的螺旋性結構引起流

16、0;體的附加螺旋性流動所導致,附加螺旋流動使殼 程流體沿螺旋扭片表面進行高速流動,流動方向 不斷改變,湍流強度加劇,邊界層分離作用增強, 導致了軸線方向上的壓降。當以殼程流體流量為 9 m3/h進行模擬時,模擬得到的殼程流體的壓降 約為750 Pa,實驗研究時得到的壓降為675 Pa,二 者誤差約為11%。                 

17、;         2.5傳熱膜系數(shù)分布圖    圖8為縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程傳熱膜系數(shù)分布圖,縱坐標表示傳熱膜系數(shù),變化范圍是 01. 35E+04W /(m2·K)。由圖8可看出,殼程 傳熱膜系數(shù)分布是不均勻的,其平均值約為5 500 W /(m2·K)。當殼程流體流量為9 m3/h時,實驗 得到的殼程流體傳熱膜系數(shù)為6 000W

18、0;/(m2·K), 模擬結果比實驗得到的結果約小9%。                         3實驗結果與模擬結果的比較    本文實驗研究所采用的換熱器與模擬研究所用 的換熱器尺寸參數(shù)相同,都是換熱管長度為 1 200 mm,內(nèi)徑15&

19、#160;mm,殼體內(nèi)徑為109 mm的管殼 式換熱器。實驗采集的數(shù)據(jù)包括殼程流體流量、進 出口壓力、溫度、管程流體流量、進出口溫度等。所采用的儀器有精度等級為±0. 2%溫度傳感器 Pt100、壓力傳感器、流量傳感器等。    圖9為本文數(shù)值模擬和實驗研究得到的殼程傳 熱模系數(shù)h對比。由圖9可以看出,無論是實驗還 是模擬,得到的h都隨著殼程雷諾數(shù)Re的增加而增 加,且二者增加趨勢一致。并且,當Re相同時,實驗 值總是比模擬值要大。殼程流體流量為11

20、60;m3/h,h差別最大,模擬得到的h要比實驗值約小11%。系 統(tǒng)誤差的產(chǎn)生主要是因為傳感器的安裝位置不當所引起。傳感器的探頭都是安裝在換熱器殼程軸線附 近,這樣測得的數(shù)據(jù)具有片面性,比實際值偏大。                      4結語    通過對縱向多螺旋流管殼式換熱器的殼程流體湍流流動和換熱的三維數(shù)

21、值模擬,得到了殼程流體 的溫度矢量場、速度矢量場以及流體沿軸向流動的 質(zhì)點跡線等。由模擬結果可以看出,由于螺旋扭片 的插入,殼程流體流動的形式與螺旋扭片的螺旋結 構很相似,是分成若干流束分別沿著各自螺旋扭片 的導程進行螺旋流動。由于螺旋扭片結構的周期性 螺旋,靠近管壁面的流體產(chǎn)生了明顯的周期性螺旋 流動,加強了管束近壁面處流體的擾動,增大了熱擴散率,推動了流體的混合。并且,周期性的螺旋流動 可以有效地減薄邊界層,尤其是黏性底層的厚度,使傳熱增強,從而使殼程流體的傳熱膜系數(shù)有較大提高。模擬結果表明,這種結構簡單、拆卸方便的新型