管殼式換熱器流動(dòng)與傳熱特性研究①

陳加淮

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232000,2.合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院,安徽 合肥 230071)

0 引 言

管殼式換熱器因其加工簡單、制造成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于電站、船舶、石油化工等各種行業(yè)[1-4]。隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,數(shù)值模擬被廣泛的應(yīng)用到流體的流動(dòng)和傳熱計(jì)算中,國內(nèi)外如Liao、Panagiotis、張洋樂等[5-7]運(yùn)用流體力學(xué)對換熱器流動(dòng)特性和換熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬。

利用FLUENT對管殼式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬,研究流速和擋板數(shù)對管殼式換熱器流動(dòng)和換熱特性的影響,對管殼式換熱器的設(shè)計(jì)具有理論參考價(jià)值。

1 模型建立

1.1 物理模型

管殼式換熱器的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,換熱器由殼體、冷熱水進(jìn)出口、冷水管和擋板四部分組成;水管材料為銅,其它部件材料均為碳鋼,流體為水。上方和下方分別是熱水進(jìn)口和熱水出口,左右面是冷水進(jìn)口和冷水出口,中間為擋板,內(nèi)部是9根冷水管,具體幾何參數(shù)見表1。

表1 管殼式散熱器幾何尺寸

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 湍流模型與邊界條件

考慮擋板對水流的旋流作用,湍流模型選取Relizablek-ε模型[8];冷熱流體均采用速度入口,冷流體溫度為20 ℃,熱流體溫度為90 ℃;環(huán)境溫度為20 ℃;出口采用壓力出口,不同工況的條件如表2所示。

圖1 管殼式換熱器模型圖

表2 不同工況的條件

1.2.2 數(shù)值模擬方法與網(wǎng)格劃分

壓力-速度耦合方程采用Coupled算法,選用二階迎風(fēng)格式,壓力、動(dòng)量和能量方程選用二階迎風(fēng)格式,其它選用一階迎風(fēng)格式。模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,為了確保流體流動(dòng)和換熱計(jì)算精度,在固體與流體的接觸面插入邊界層;保證網(wǎng)格縱橫比大于0.8,偏斜系數(shù)小于0.3,如圖2所示。仿真計(jì)算過程中,能量殘差精度設(shè)為10-6,其它殘差精度均設(shè)為10-4。

圖2 網(wǎng)格劃分

2 模擬結(jié)果分析

2.1 流速對流動(dòng)與傳熱特性的影響

圖3為流速為3m/s～6 m/s時(shí)的速度流線圖,如圖3所示,熱流體從上方管道進(jìn)入殼體,經(jīng)過擋板后熱流體從下方管道流出。熱流體在經(jīng)過擋板時(shí),由于擋板的阻礙作用產(chǎn)生渦流,隨著流速的不斷增加,這種現(xiàn)象變得尤為明顯。熱流體進(jìn)換熱器內(nèi)后與水管外壁接觸后進(jìn)行能量交換,經(jīng)過擋板發(fā)生碰撞產(chǎn)生渦旋,隨著流速的不斷增大換熱器內(nèi)流體渦旋增強(qiáng),流線變得密集,換熱速率得到提升。

圖3 不同流速下?lián)Q熱器速度跡線圖

圖4為流速3m/s～6m/s時(shí)熱流體出口面平均溫度變化圖,低流速時(shí),隨著流速的不斷增加,出口平均溫度緩慢減小,但隨著流速的持續(xù)增大,平均溫度迅速減小,當(dāng)流速大于5 m/s時(shí),溫度的減小趨勢產(chǎn)生減緩,明顯低于4m/s～5 m/s時(shí)的減小趨勢。流速增加降低了熱流體出口面的平均溫度,由83.66 ℃降低至74.29 ℃,降幅達(dá)到了11.2%左右。

圖4 不同流速下熱流體出口平均溫度圖

圖5 不同流速下?lián)Q熱器換熱系數(shù)變化圖

圖6 不同擋板數(shù)換熱器速度跡線圖

圖5為換熱器在流速為3m/s～6 m/s時(shí)換熱系數(shù)變化關(guān)系圖,隨著流速的不斷增大,換熱器的換熱系數(shù)也不斷減小,且換熱系數(shù)變化幾乎與流速呈反比例關(guān)系。

2.2 擋板數(shù)對流動(dòng)與傳熱特性的影響

圖6為換熱器擋板數(shù)分別為4,6,8個(gè)時(shí)的速度流線圖,熱流體進(jìn)入殼體后經(jīng)過擋板從出口流出。熱流體在經(jīng)過擋板時(shí),由于擋板的阻礙作用在擋板附近產(chǎn)生渦流,在殼體壁面附近產(chǎn)生滯留區(qū)。隨著擋板數(shù)的不斷增加,殼體壁面附近的滯留區(qū)越明顯,同時(shí)滯留區(qū)的面積越來越大;隨著擋板數(shù)的不斷增加,渦流越明顯,同時(shí)產(chǎn)生的渦流數(shù)量也越來越多。

圖7為換熱器擋板數(shù)分別為4,6,8個(gè)時(shí)熱流體出口面平均溫度變化圖,擋板數(shù)從4個(gè)增加到6個(gè)時(shí),出口平均溫度迅速減小,但當(dāng)擋板數(shù)增加到8個(gè)時(shí),出口平均溫度緩慢減小;擋板數(shù)從4個(gè)增加到8個(gè)時(shí),出口溫度由82.98 ℃降低72.88℃至,降低了了10 ℃左右,擋板數(shù)的增加顯著降低了出口的平均溫度。

圖7 熱流體出口平均溫度圖

3 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬,研究不同流速和擋板數(shù)量下管殼式換熱器的流動(dòng)特性與換熱特性,并通過對比速度跡線圖、出口平均溫度和換熱系數(shù),得出結(jié)論如下:

(1)隨著流速的增大,換熱器內(nèi)流體渦旋增強(qiáng),流線變得密集,換熱效果增強(qiáng);換熱器的換熱系數(shù)不斷減小,且換熱系數(shù)變化幾乎與流速呈反比例關(guān)系。

(2)隨著擋板數(shù)的增加,殼體壁面附近滯留區(qū)的面積越來越大;渦流越明顯,同時(shí)產(chǎn)生的渦流數(shù)量也越來越多;出口平均溫度先迅速減小后緩慢減小。