縱流殼程換熱器數(shù)值模擬的應(yīng)用

1、縱流殼程換熱器數(shù)值模擬的應(yīng)用生意社11月25日訊   1 縱流殼程換熱器模型根據(jù)相似理論5 ,確定縱流殼程換熱器模型,如圖1所示.筒體內(nèi)徑Di為145 mm ,換熱管14×2 mm ,換熱管為37根,管間距19 mm ,換熱管采用正方形排列,折流圈規(guī)格143×134mm ,折流桿5 mm.管程通入熱流體為100水蒸氣,殼程分別通入空氣或水.為拓寬其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的范圍,本文研究了折流桿布置形式為單排管間布桿或雙排管間布桿,折流圈間距Lb分別為40 ,60 ,80 ,100 ,150 ,200 mm ,管束長(zhǎng)徑比Lt/ Di分別為2 ,6 ,9 ,13 ,20的情況.

2、由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,可取橫截面的1/ 2進(jìn)行縱流殼程換熱器三維結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析對(duì)縱流殼程換熱器模型進(jìn)行數(shù)值模擬,可獲得換熱器內(nèi)傳熱和流動(dòng)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng),分析數(shù)值模擬結(jié)果,得到縱流殼程換熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)(單、雙排管間布桿、折流柵間距、管束長(zhǎng)徑比等)變化對(duì)傳熱和流動(dòng)性能的影響關(guān)系.2. 1 單、雙排管間布桿的影響圖2、圖3為管束長(zhǎng)徑比(管束長(zhǎng)度與殼體直徑之比)為13 ,單排管間布桿、雙排管間布桿對(duì)換熱器殼程傳熱性能和流動(dòng)阻力的影響.從圖2 ,3可以看出,在相同的雷諾數(shù)( Re)下,采用單排管間布桿比雙排管間布桿傳熱性能好,但其流動(dòng)阻力降也相應(yīng)增大.這是由于采用單排管

3、間布桿時(shí),同一橫截面上折流桿數(shù)目增多,流體流經(jīng)該截面時(shí),由于流體繞流,使其尾流區(qū)旋渦增多,湍動(dòng)程度加劇,使管壁上的邊界層減薄,因此提高了殼程流體的傳熱性能,同時(shí),折流桿的增多,流體流通的截面積減小,湍動(dòng)加劇,由于流體粘性而產(chǎn)生的摩擦阻力損失也增大.2. 2 折流柵間距變化的影響圖4、圖5給出了管束長(zhǎng)徑比為13時(shí),折流圈間距對(duì)傳熱及流動(dòng)阻力的影響關(guān)系.從圖4可見(jiàn),在相同的Re下,隨著折流柵間距的減小,殼程傳熱的努塞而特準(zhǔn)數(shù)Nu越大,換熱器的傳熱性能越好.這是由于流體流經(jīng)折流柵時(shí),隨著雷諾數(shù)的增大,在桿圈處表面產(chǎn)生邊界層分離,在桿圈表面上下兩側(cè)產(chǎn)生的旋渦分離并形成尾流中的卡門(mén)渦街,使管子外表面的邊

4、界層減薄,換熱管熱量傳遞的熱阻力減小,有利于傳熱,因而,殼程給熱系數(shù)增大,提高了換熱器的傳熱性能.從圖5可見(jiàn),隨著折流柵間距的減小,殼程流動(dòng)阻力增大,這是由于折流圈的增多,尾流區(qū)旋渦產(chǎn)生和破裂的程度加劇,在增大傳熱的同時(shí),摩擦阻力也相應(yīng)增大.2. 3 管束長(zhǎng)徑比的影響圖6、圖7表示單排管間布桿、在折流柵間距為60 mm , Re為2000時(shí)管束長(zhǎng)徑比對(duì)傳熱和流動(dòng)阻力的影響.從圖6可見(jiàn),管束長(zhǎng)徑比對(duì)傳熱的影響很小,隨著管束長(zhǎng)徑比的增大,其N(xiāo)u數(shù)呈現(xiàn)較小的增大.從圖7可見(jiàn),管束長(zhǎng)徑比對(duì)流動(dòng)阻力的影響基本呈線性關(guān)系變化.隨著管束長(zhǎng)徑比的增大,流動(dòng)阻力基本上按線性比例增大.3 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式根據(jù)相似理論中

5、的量綱分析法,推導(dǎo)出換熱器殼程傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式和流動(dòng)阻力關(guān)聯(lián)式.Nu = CLRea1 Pra2 ( Lb/ de) a3( Lt/ Di) a4 (/w) a5 , (1)P/ (US2) = fReb1 ( Lb/ de) b2 ( Lt/ Di) b3 . (2)式中: Pr為普朗特準(zhǔn)數(shù); Lb為折流圈間距,m;Lt為換熱管長(zhǎng)度,m; Di為殼體直徑,m; de為定性直徑,m; d0為換熱管外徑,m; Pt為管間距,m; cp ,分別為殼程流體的比熱、粘度、導(dǎo)熱系數(shù); US為殼程平行流流速,m/ s ;P為流動(dòng)阻力(或壓力降) ,Pa ; CL , a1a5 , f , b1b3為待定值.

6、采用最小二乘法擬合數(shù)值模擬結(jié)果,可得其在層流狀態(tài)下的關(guān)聯(lián)式.對(duì)于單排管間布桿:Nu =0. 09642 Re0. 6045 Pr1/ 3 ( Lb/ de) - 0. 2156( Lt/ Di) 0. 01276 (/w) 0. 14 , (3)P/ (US2) =584. 62 Re- 0. 5937 ( Lb/ de) - 0. 2312( Lt/ Di) 0. 9331 ; (4)對(duì)于雙排管間布桿:Nu =0. 09297 Re0. 5953 Pr1/ 3 ( Lb/ de) - 0. 2156( Lt/ Di) 0. 01276 (/w) 0. 14 , (5)P/ (US2) =447. 592 Re- 0. 6101 ( Lb/ de) - 0. 2312( Lt/ Di) 0. 9331 . (6)將式(3)(6)與文獻(xiàn) 3 中的湍流狀態(tài)下的傳熱及流動(dòng)阻力準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式聯(lián)合使用,大大拓寬了縱流殼程換熱器工程開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)應(yīng)用的范圍.4 結(jié)論(1)應(yīng)用數(shù)值模擬方式研究了縱流殼程換熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)其傳熱性能和流體流動(dòng)性能的影響關(guān)系.從數(shù)值模擬結(jié)果中可知,采用單排