連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理的數(shù)值模擬

1、增刊謝洪虎等:連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器探化傳熱機(jī)理的數(shù)值模擬 7 :10007466(2009)增刊-OOO6rO6（華南理工大學(xué)化工機(jī)械研究所，廣東廣州510640）:利用FLUENT軟件在設(shè)定的管、殼程流體流速下對不同螺旋節(jié)距厶的連續(xù)形螺旋折流 板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱情況進(jìn)行了三維數(shù)值模擬得到了對應(yīng)條件下的溫度場、速度場、質(zhì)點(diǎn)跡 線圖、管殼程溫度變化圖以及壓降分布圖等。根據(jù)模擬得到的結(jié)果比較了不同螺旋節(jié)距乙下的 連續(xù)形螺旋折流板對螺旋折流板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱的影響。在所模擬的螺旋節(jié)距L范圉內(nèi). 得到了連續(xù)形螺旋折流板的螺旋節(jié)距L與螺旋折流板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱效果的變化規(guī)律的 關(guān)系，

2、該結(jié)果可以為這種新型連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器的規(guī)?；こ虘?yīng)用提供一定的參考 依據(jù)。:換熱器；螺疲折流板：強(qiáng)化傳熱；三維數(shù)值模擬；螺旋節(jié)距:TQ 051.501 ; TK 124: ANumerical Simulation and Discussion of the Enhanced Heat Iransfer Mechanism inContinuous Spiral-Ski ped Hiffle Shell and Tube Heat ExchangersXIE Hraig-hu, JIANG Nin(Institute of Chemical Machinery , South Ch

3、ina Universityof Technology , Guangzhou 510640 , China)Abstract: To study the influence of helical baffle size L on heat enhancement of the continuous3131在施工時(shí)需要確定出凸緣準(zhǔn)確的安裝位置，以 便在球殼板上開孔（圖4） o前兩節(jié)已經(jīng)計(jì)算出了安裝角度（即接管的偏轉(zhuǎn)角度）故可以確定出開孔 中心到球罐頂點(diǎn)的弧長°。Q = （& + n）（12）利用上述公式可以有效地完成球罐開孔補(bǔ)強(qiáng) 的設(shè)計(jì)計(jì)算，并且準(zhǔn)確地確定在球殼板上補(bǔ)強(qiáng)凸緣

4、的開孔位置。HI CB/T 12459-2005 .鋼制對焊無縫管件S.|2| SH/T 3138-2003.球形儲(chǔ)羅整體補(bǔ)豪凸緣S.131徐 英球罐和大型fitSlMl.北東:化學(xué)工業(yè)出版社.2005.（許編）:2009-03-28:謝洪虎（1983-） 男安徽阜陽人碩士研究生主要從事傳熱傳質(zhì)的研究。helical baffle shelbancbtube heat exchangers static temperature field .velocity vector field .particle line field .static pressure drop and so on wa

5、s gained by taking three-dimensional numerical simulation with commercial software-fluent at different helical baffle size L with arranged flow veloci ly. According to the simulation results,calculation and comparisons were conducted on the heat enhancement of the continuous helical baffles shelban(

6、btubc heat exchangers fitted with helical baffles with different helical ribbon's size L form different aspects. Within the simulation results, the optimize co in bi nation of helical baffle's size L and the effects of heat enhancement was obtained ,which provided a useful reference for larg

7、er scale engi neering appliance of this late-model continuous helical baffle shell-ancblubc heat exchangers© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htlp:/增刊謝洪虎等:連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器探化傳熱機(jī)理的數(shù)值模擬 7 圖1螺旋折流板三維立體示圖Key words: heat exchangers : helical baffle; lion

8、 : helical baffle9s size近年來數(shù)值模擬研究方法為經(jīng)濟(jì)安全地設(shè)計(jì)、 評價(jià)及改造換熱器提供了強(qiáng)有力的手段山0特別是 對于設(shè)計(jì)、研究、評估新型高效能、低能耗、低成本的 換熱設(shè)備方面具有很大的優(yōu)越性。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)模擬管殼式換熱器無相變殼 程流場的方法最早在1974年提出但由于受到當(dāng)時(shí) 計(jì)算機(jī)與計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)水平的限制.研究進(jìn)展 緩慢山o 20世紀(jì)80年代以來,Partankar and Spland- ing、Sha等學(xué)者在換熱器數(shù)值模擬研究方面做了很多 工作奠定了理論基礎(chǔ)之后換熱器數(shù)值模擬研究 才有了較快的進(jìn)展。對于換熱器數(shù)值模擬研究來說, 采用二維研究的較多。在三維數(shù)

9、值模擬研究方面. 國內(nèi)外學(xué)者大多將其用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器 換熱性能的研究其中國外學(xué)者較多地用于復(fù)雜結(jié)構(gòu) 換熱管或者管程內(nèi)插物對換熱器性能的影響例如螺 旋槽管、波紋管和內(nèi)插螺旋紐帶等。國內(nèi)學(xué)者也很少 用數(shù)值模擬的方法去研究管殼式換熱器殼程采用連 續(xù)形螺旋折流板對換熱器綜合性能的影響。筆者利 用FLUENT軟件對連續(xù)形螺旋折流板換熱器的殼程 湍流流動(dòng)及換熱進(jìn)行三維數(shù)值模擬，探討管、殼程介 質(zhì)流速一定的條件下連續(xù)形螺旋折流板的螺旋節(jié)距enhance heat transfer; three-dimensional Simula-乙對換熱器強(qiáng)化傳熱性能的影響。本文所模擬的連續(xù)形螺旋折流板換熱器就

10、是在 普通管殼式換熱器殼程換熱管之間插入連續(xù)形螺旋 折流板螺旋折流板的插入可以有效地改變殼程流 體的流動(dòng)形式使殼程流體產(chǎn)生兩股自螺旋流的復(fù) 雜流動(dòng)形態(tài)有效提高換熱管束壁面的流體速度. 實(shí)現(xiàn)不同殼體半徑處流體的充分混合從而達(dá)到強(qiáng) 化傳熱的目的。文中數(shù)值模擬采用的換熱器為單管程、單殼程 的連續(xù)形螺旋折流板結(jié)構(gòu)換熱器以正方形布管殼 體直徑為135 mmo換熱管之間插入的4組螺旋折 流板的螺旋節(jié)距分別為90 mmnISO mm、27U mm和 360 mm:還有1組沒有插入任何折流板的管束共 5組。進(jìn)口模擬時(shí)殼程為熱流體進(jìn)口溫度為 60 °C.體積流量為11 m3/ho管程為冷流體溫度 為2

11、0 °C.進(jìn)口體積流量為8 n?/h0螺旋折流板的Pro/e三維立體示意圖見圖1 . 其中厶為螺旋折流板的螺旋節(jié)距。換熱管與螺旋 折流板之間定位關(guān)系示意圖見圖2o© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htlp:/增刊謝洪虎等:連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理的數(shù)值模擬9圖2螺號折流板與換熱管之間定位關(guān)系示意圖由于連續(xù)形螺旋折流板換熱器的殼程結(jié)構(gòu)比較 復(fù)雜采用四面體網(wǎng)格劃分.管程采用六面體網(wǎng)格劃 分。殼程網(wǎng)格數(shù)為843 876 管程網(wǎng)格數(shù)

12、為335 644 , 螺旋折流板的網(wǎng)格數(shù)為195 762,管壁的網(wǎng)格數(shù)為 278 947。網(wǎng)格成形檢査發(fā)現(xiàn)最大扭曲率小于0. 85 , 網(wǎng)格質(zhì)量良好.符合計(jì)算要求。此模型中邊界類型 有4種.即進(jìn)口、出口、管壁和殼壁。建立模型的數(shù)學(xué)形式時(shí)主要考慮設(shè)置管程、殼 程內(nèi)流體滿足控制守恒的連續(xù)性方程、質(zhì)量方程以 及能量方程等。因殼程流體處于湍流狀態(tài)進(jìn)一步 設(shè)置湍流模型。相關(guān)設(shè)置完成后進(jìn)行迭代計(jì)算每 次迭代240次左右時(shí).計(jì)算收斂進(jìn)行其殘差曲線的 分析。22.1 溫度場換熱器殼體以及連續(xù)形螺旋折流板在管、殼程 流體換熱達(dá)到穩(wěn)定后的溫度場分布圖分別見圖3 圖4 換熱管內(nèi)、外壁面在管、殼程流體換熱達(dá)到穩(wěn) 定后

13、的溫度場分布圖分別見圖5圖6。由圖3可以看出殼程熱流體從進(jìn)口到出口的 溫度是不斷降低的其進(jìn)、出口溫度分別約為333 K 和318 Ko圖中顯示的進(jìn)口溫度與在模擬開始時(shí)設(shè) 定的333.15 K吻合良好。另外殼程熱流體與管程 冷流體之間的換熱是通過換熱管的熱傳導(dǎo)進(jìn)行的， 換熱管外壁面的溫度比內(nèi)壁面的溫度高圖5圖6 也能反映出這一點(diǎn)。模擬所采用的換熱管尺寸為09 mm X2 mm , 壁厚只有2 mm .所以換熱管內(nèi)、外壁面溫差不是很 大由圖5圖6可以看出約為5 Ko圖3換熱器殼體在管、 殼程流體換熱達(dá)到穩(wěn)定后的溫度場分布圖5換熱管內(nèi)壁面在管、殼程 流體換熱達(dá)到穩(wěn)定后的溫度場分布圖6換熱管外壁面左管

14、、殼程 流體換熱達(dá)到穩(wěn)定后的溫度場分布2.2速度場換熱器殼程流體進(jìn)、出口位置處速度場分布圖 分別見圖7圖8（圖中縱坐標(biāo)速度變化范圍是 0. 002 073.22 m/s）。殼程流體在進(jìn)口處的流體 流速比較均勻、穩(wěn)定。而在出口處的殼程流體流速 變化不均勻出現(xiàn)了流速中間高、周圍低的情況。在進(jìn)、出口位置且經(jīng)過軸線剖面的殼程流體流 場局部放大圖分別見圖9圖10o由圖9可以看 出熱流體無論從殼程進(jìn)口邊緣處還是從中心處流入換熱器內(nèi).其流速都是均勻變化的這與圖7顯示 的結(jié)果吻合較好。由圖10可以更加清晰地發(fā)現(xiàn)殼 程流體在連續(xù)形螺旋折流板的導(dǎo)流作用下，經(jīng)過出 口處時(shí)流速并不均勻，出現(xiàn)了中間流速高、周圍流 速底

15、的現(xiàn)象并且周圍的出口熱流體還出現(xiàn)了螺旋 倒流的現(xiàn)象。圖7換熱器殼程流體進(jìn)口處速度場分布圖8換熱器殼程流體出口處速度場分布2.3軸線方向流體質(zhì)點(diǎn)跡線圖殼程流體從進(jìn)口到出口沿軸線方向流動(dòng)時(shí)流體 質(zhì)點(diǎn)的跡線圖見圖11 圖中縱坐標(biāo)殼程流體質(zhì)點(diǎn)速 度變化范圍是09.99 X10: m/so由圖11可以看 出流體從進(jìn)入殼體后，在進(jìn)行軸向流動(dòng)的同時(shí)，也 進(jìn)行附加螺旋流動(dòng)。螺旋流動(dòng)的形式和連續(xù)形螺旋圖9換熱器殼程流體進(jìn)口經(jīng)過軸線剖面的 殼程流體流場局部放大圖10換熱器殼程流體出口經(jīng)過軸線剖面的殼程流體流場局部放大折流板的螺旋結(jié)構(gòu)很相似這是由于螺旋折流板具 有螺旋流導(dǎo)向作用.殼程流體沿著連續(xù)形螺旋折流 板的表面

16、進(jìn)行流動(dòng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)沿著螺旋折 流板進(jìn)行軸向流動(dòng)的殼程流體其流速并不是均勻 的其規(guī)律是靠近螺旋折流板正螺旋壁面的流體流 速要比背螺旋壁面的流體速度高些。這是因?yàn)樽鳛?改變殼程流體流向的螺旋折流板的存在在強(qiáng)化殼 程流體湍動(dòng)度的同時(shí)也增大了流動(dòng)擠壓力使得靠 近正螺旋壁面的殼程流體在流動(dòng)擠壓力的作用下流 速相對靠近背螺旋壁面處的流體的流速要大。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htlp:/增刊謝洪虎等:連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理的數(shù)值模擬

17、9© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htlp:/增刊謝洪虎等:連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理的數(shù)值模擬9圖II殼程流體質(zhì)點(diǎn)螺放流跡線圖999»*0293202 83902 8.80»32 6.3302 7 392 7 002 7 3302 69902 6002 8.3>mO2 5.992 5.002 5.3302 S.00HO2 4 002 4 33»«02 4 00x02 3.«02

18、 3.302 3.0002 2 002 23302 200021 3302 99901 oeo»«oi 3.3d»tOl O.OCMX)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htlp:/增刊謝洪虎等:連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理的數(shù)值模擬9© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved

19、. htlp:/增刊謝洪虎等:連續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱機(jī)理的數(shù)值模擬92.4壓降分布圖殼程流體沿軸線方向的壓力變化見圖120圖 中表示的是殼程流體從進(jìn)口(z= - 1 100 mm)處到 出口處(乙二-100 mm)的壓力變化。由圖12可以© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htlp:/-10 石油化工設(shè)備2009年第38卷看出從進(jìn)口到出口 殼程流體的壓降呈現(xiàn)階梯狀變 化殼程壓力變化約為1 600 Pa0而比較組的沒有 插入任何連續(xù)形螺旋折

20、流板且同尺寸的光管管殼式 換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬所得到的殼程流體壓力總變化 值為470 Pa。二者壓力的巨大差距是因?yàn)檫B續(xù)形 螺旋折流板的存在雖然強(qiáng)化了殼程流體在換熱器殼 體內(nèi)的湍動(dòng)程度同時(shí)也阻斷了殼程流體沿軸向方 向進(jìn)行流動(dòng)的連續(xù)性増加了殼程流體的流動(dòng)阻力o 管程流體沿軸線方向的壓強(qiáng)變化見圖13 圖中 表示的是管程從進(jìn)口 (z=0)處到出口(z=1 200 mm)處的壓力變化圖。由圖13可以看出.從進(jìn)口 到出口 管程流體的壓力也是在不斷地下降總的壓 降約為600 Pa。S 12殼程流體沿軸線方向的壓力變化£ ZOIX、岀窖-1 200 -1 000 -800 -600 -400 -20

21、00圖13管程流體沿軸線方向的壓力變化£sx、田催2.5溫度分帀圖管程流體從進(jìn)口 (z=o)處到達(dá)出口處(乙= I 200 mm)且沿軸線方向上溫度變化見圖14 管 程冷流體的進(jìn)口溫度設(shè)定為293.15 K.由圖可以看 出.其出口溫度約為308 Ko由于管、殼程流體采用 逆流流動(dòng)形式進(jìn)行熱量交換管程冷流體的進(jìn)、出口 位置分別為z =0和z =1 200 mm，冷流體沿?fù)Q熱 器軸線從=0iJ z=1 200 mm .其溫度是在不斷 上升的。殼程流體沿軸線方向的溫度變化趨勢圖見圖 15。圖15中殼程熱流體沿著換熱器軸線方向.從進(jìn) 口 (-= - 1 100 mm)到出口(乙=-100 m

22、m)的溫度 是在不斷下降的。殼程熱流體的進(jìn)口溫度設(shè)定為333.15 K.由圖15看出，其出口溫度約為318 K。320 -315-圖14管程流體沿軸線方向上溫度變化<趙期3353 325-*.320-315* *310-300丄丄丄丄丄1-1 200 -1 000 -800 -600 -400 -2000z/mm0 15殼程流體沿紬線方向的溫度變化趨勢圖2.6傳熱膜系數(shù)和數(shù)分布?xì)こ虃鳠崮は禂?shù)分布示意圖見圖16。由圖16 看出.殼程流體傳熱膜系數(shù)為3 000 W/ (nrK)左 右。對于同尺寸的光管管殼式換熱器在相同的模 擬條件下，所得到的殼程熱流體的傳熱膜系數(shù)為 2 300 W/(ifK

23、)左右，比螺旋折流板換熱器的殼 程傳熱膜系數(shù)小700 W/ (nrK).可見使用連續(xù)形 螺旋折流板傳熱效率增加了約30.43 %o1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rifthtlp:/ki. net殼程N(yùn)“數(shù)分布示意圖見圖170由圖17可以 看出殼程數(shù)約為147 o而對于同尺寸的光管 管殼式換熱器在相同的模擬條件下,所得到的殼程 熱流體的數(shù)約為112 .其傳熱效率増加了大約 31.25 %。二者吻合良好。圖16殼程傳熱膜系數(shù)分布示圖 79»«oi 2ixn646»&g

24、t;1IBS156000OOMD0 17殼程N(yùn)“數(shù)分布示圖根據(jù)4組插入不同螺旋節(jié)距L的連續(xù)形螺旋 折流板換熱器以及1組沒有插入任何折流板的光管 管殼式換熱器進(jìn)行模擬得到的結(jié)果計(jì)算得出與之 對應(yīng)的殼程傳熱膜系數(shù)分別為：螺旋節(jié)距L = 90 mm時(shí)殼程傳熱膜系數(shù)為2 170 W/ (nrK)。 螺旋節(jié)距L = 18() mm時(shí)殼程的傳熱膜系數(shù) 3 310 W/(nr K)。鯛旋節(jié)距L = 270 mm時(shí)殼 程傳熱膜系數(shù)為3 535 W/ (nFK)。旋節(jié)距 L = 360 mm時(shí)殼程傳熱膜系數(shù)3 000 W/ (m2K)。 韓折流板的光管管殼式換熱器殼程傳熱膜系數(shù)為 2 300 W/ (nr K)

25、。由上述計(jì)算結(jié)果可知螺旋節(jié)距為90 mm的連 續(xù)形螺旋折流板管殼式換熱器的殼程傳熱膜系數(shù)小 丁沒有任何折流板的光管管殼式換熱器而其它螺 旋節(jié)距的螺旋折流板管殼式換熱器的殼程傳熱膜系 數(shù)都大干光管管殼式換熱器。在所模擬的5組換熱 器中，螺旋節(jié)距為270 mm的螺旋折流板換熱器的 傳熱膜系數(shù)最高這表明螺旋節(jié)距太大或者太小，強(qiáng) 化傳熱效果都不很理想。其原因是螺旋折流板的螺 旋性結(jié)構(gòu)雖然可以引起殼程流體產(chǎn)生附加螺旋性流 動(dòng)提高殼程流體的湍動(dòng)程度從而有效地減薄壁面 層流底層的厚度有利于強(qiáng)化傳熱但是連續(xù)形螺旋 折流板増大了與熱流體的接觸面積同時(shí)也就増大 了殼程熱流體與螺旋折流板壁面接觸的層流底層的 面積。

26、如果螺旋節(jié)距太小或太大.其強(qiáng)化傳熱效果 還沒有自身引起的熱流體傳熱損失大所以換熱效 率并不好。4通過改變螺旋節(jié)距對連續(xù)形螺旋折流板換熱器 的殼程流體湍流流動(dòng)和換熱情況進(jìn)行三維數(shù)值模 擬得到了殼程流體的溫度場、速度場以及流體沿軸 向流動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)跡線等。由模擬結(jié)果及相關(guān)計(jì)算可以 知道采用螺旋折流板使得殼程流體的流動(dòng)形式是 沿著各自螺旋折流板的導(dǎo)程進(jìn)行螺旋流動(dòng)?？拷?壁面的流體產(chǎn)生了明顯的周期性螺旋流動(dòng)加強(qiáng)了 管束近壁面處流體的擾動(dòng)增大了熱擴(kuò)散率推動(dòng)了 流體的混合。這種周期性的螺旋流動(dòng)可以有效地減 薄邊界層尤其是粘性底層的厚度使傳熱増強(qiáng)從而 使殼程流體的傳熱膜系數(shù)有較大提高。但是從另一 方面講螺旋折流板増大了與熱流體的接觸面積同 時(shí)也就増大了殼程熱流體與螺旋折流板壁面接觸的 層流底層的面積從而削弱了冷、熱流體間的熱交換 效果。從本文數(shù)值模擬結(jié)果和計(jì)算結(jié)果出發(fā)筆者得 到了文中模擬條件下螺旋節(jié)距與螺旋折流板換熱器 強(qiáng)化傳熱效果的變化規(guī)律和最佳螺旋節(jié)距。在本文 的模擬條件下螺旋節(jié)距為270 mm的螺旋折