異徑布管夾持支撐結(jié)構(gòu)換熱器殼側(cè)場(chǎng)協(xié)同分析.

1、異徑布管夾持支撐結(jié)構(gòu)換熱器殼側(cè)場(chǎng)協(xié)同分析生意社 01月 09 日訊1.李靜 2.劉敏珊 2.董其伍（1.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣州，510641； 2鄭州大學(xué)化工學(xué)院，鄭州， 450000）CFD 軟件建立單元流道，-溫度梯 證實(shí)摘要： 針對(duì)折流桿結(jié)構(gòu)換熱器只有在較高殼側(cè)流速時(shí)才能達(dá)到較高傳熱效率、 布管不緊 湊、不能很好抵抗變化工況等缺點(diǎn)， 提出以大小兩種規(guī)格換熱管和夾持支撐結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 折流桿支承元件，達(dá)到提高殼側(cè)傳熱系數(shù)，增加換熱面積。利用 對(duì)殼側(cè)流場(chǎng)和傳熱場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，提出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的縱流換熱器殼側(cè)速度 度場(chǎng)矢量夾角的計(jì)算方法， 得到了殼側(cè)速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)的場(chǎng)協(xié)同角的

2、定量關(guān)聯(lián)式， 了新結(jié)構(gòu)具有更好的場(chǎng)協(xié)同關(guān)系。關(guān)鍵詞：換熱器；支撐結(jié)構(gòu)；協(xié)同；強(qiáng)化傳熱中圖分類(lèi)號(hào)： KT124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A1.前言由于流體在殼體中呈縱向流， 其殼程的壓力降 該換熱器具有良好的發(fā)展前景。 現(xiàn)有的桿柵縱流換熱器作為一種廣泛應(yīng)用的換熱器。 比折流板低， 綜合性能指標(biāo)比折流板高等優(yōu)點(diǎn)， 支承折流桿換熱器也存在一些不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1,2:只有在高雷諾數(shù)時(shí)才能獲得高效率， 在殼程低雷諾數(shù)下傳熱效率較低， 有時(shí)甚至低于折流板換熱器； 縱 流殼程換熱器的流量波 動(dòng)較大，尤其是流量突降情況下管內(nèi)的流量不足，導(dǎo)致傳熱系數(shù)大 大降低；為了方便布置折流桿，一般折流桿換熱器都采用正

3、方形或者大間距三角形布管， 這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器管程布管疏松， 換熱器外徑增大， 殼程流速降低， 不利于提高殼側(cè)傳 熱系數(shù)。本文針對(duì)前述換熱器的不足， 以提高殼側(cè)傳熱系數(shù)， 增加換熱面積為出發(fā)點(diǎn)， 提出了新 型異徑布管夾持結(jié)構(gòu)換熱器 3。同原理對(duì)殼側(cè)的對(duì)具有復(fù)雜結(jié)利用單元流道進(jìn)行了殼側(cè)流場(chǎng)和傳熱場(chǎng)的三維數(shù)值模擬，并應(yīng)用場(chǎng)協(xié) 場(chǎng)協(xié)同狀況進(jìn)行了分析。 將場(chǎng)協(xié)同原理應(yīng)用到新型夾持結(jié)構(gòu)的性能評(píng)價(jià)之中， 構(gòu)的縱流換熱器殼程速度 -溫度梯度場(chǎng)矢量夾角提出了計(jì)算方法。2.基本模型和場(chǎng)協(xié)同方法2.1 異徑布管夾持結(jié)構(gòu)換熱器強(qiáng)化傳熱的 3 種主要途徑是： 提高傳熱系數(shù)、 擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差。 新型異徑

4、布管支 承結(jié)構(gòu)是在增加換熱面積的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高傳熱系數(shù)。夾持式異徑換熱管縱流 殼程換熱器 （圖 1）主要特征是： 折流柵由折流圈和連接在折流圈上間隔排列的多組扁鋼帶 構(gòu)成；扁鋼帶支 撐大、小直徑換熱管，折流圈上焊有拉桿孔。新支撐通過(guò)改變結(jié)構(gòu)，可以 達(dá)到以下目的 4 ：增加 換熱面積 30左右；獲得良好的流動(dòng)分布，形成長(zhǎng)程縱向渦街，有效減薄管外邊界層；殼側(cè)流體呈縱流、局部帶有射流的夾持結(jié)構(gòu)形式，改變殼程流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同關(guān)系，在壓降增加不大的情況下，提高殼程在流體低雷諾數(shù)下的傳熱效率，比一般的縱流殼程換熱器提高了 20%。折蹴圈、 拉桿扎、 夫鞏徑骨、 小fl徑管、圖1新型換熱舉支承結(jié)構(gòu)示意

5、圖Fig 1 S chematic Diagram for New Sup portStructure of Heat Exchanger22對(duì)流換熱場(chǎng)協(xié)同理論場(chǎng)協(xié)同”理論是過(guò)增元5提出的一種與傳統(tǒng) 強(qiáng)化技術(shù)完全不同的方法，即通過(guò)改善流場(chǎng)協(xié)同”理論。5，將能量方程中的對(duì)流項(xiàng)比擬為內(nèi)熱通過(guò)將該方程在熱邊界層內(nèi)的積分，提出促體速度 場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同程度來(lái)強(qiáng)化傳熱，即場(chǎng)協(xié)同”理論從層流對(duì)流換熱的能量方程出發(fā)源，對(duì)邊界層型的流動(dòng)進(jìn)行了能量方程的分析；使換熱強(qiáng)化的3個(gè)途徑：提高雷諾數(shù)（Re）;提高普朗特?cái)?shù)（Pr）,改變流動(dòng)介質(zhì)的物理性質(zhì)；增加無(wú)因次積分值3 .計(jì)算模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1計(jì)算模型由于目前計(jì)算

6、機(jī)硬件及軟件限制，精確模擬換熱器整體目前還很困難。王定標(biāo)等研究使用 單元流道”的方式建立的計(jì)算模型能夠較好地解決縱流換熱器殼程流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模 擬6。夾持式結(jié)構(gòu)具有與傳統(tǒng)折流桿換熱器相似的周期特點(diǎn)，所以用周期模型來(lái)表征充分 發(fā)展段的流場(chǎng)特性。本文基于周期性單元流道模型，以圖1中陰影部分所示作為基本單元橫截面，沿流動(dòng)方向取一個(gè)幾何周期建立模型（圖2）。小亀徑管刊壁支薦桝帶大直徑竇ft壁圖2夾持結(jié)構(gòu)支承單元流道Fig. 2 Support Umt Duct for Haiding Structure本文模型選用動(dòng)量和能量方程的離散格式均為二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用 SIMPLE算法。由于各變

7、量之間的強(qiáng)烈非線(xiàn)形關(guān)系，迭代求解選用亞松弛法。5.2 X0 5，沿流對(duì)單元流道進(jìn)行周期迭代求解。計(jì)算區(qū)域取整個(gè)單元流道，網(wǎng)格數(shù)為 動(dòng)方向 采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格和非均勻網(wǎng)格分塊劃分，局部加密細(xì)化。邊界條件：給定周期模型進(jìn)口質(zhì)量流率和溫度； 管壁溫度為恒溫、不可滲透和無(wú)滑移條件。 模型計(jì)算包括了換熱器殼側(cè)流動(dòng)， Re的變化 范圍1 00015 000,涵蓋了常見(jiàn)的殼程流動(dòng)速 度和不同大小管徑組合結(jié)構(gòu)。3.2實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置為一臺(tái)異徑布管夾持式換熱器，內(nèi)徑為 147 mm,大管外徑為19 mm，小管外 徑為14 mm，折流柵間距為 100200 mm ;殼程工作介質(zhì)為空氣，管程工作介質(zhì)為過(guò)量水 蒸汽以保證壁

8、溫恒定。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。慕汽托差變送器4鳳機(jī)空氣閥流雖計(jì) IA杠浚亶 Jr _亠亠 囲h算機(jī)1 襦 t 冷礙水 din圖3實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig 3 Sdiematic Diagram fbr Expenmcnt Model1第汽a：度鬧直；2一iSkffiJjSSlAi 3一一空出丨1也度雋點(diǎn)：4 一一旳醸水Slffi甜點(diǎn)S 5一空氣人UR度林直3.3結(jié)果分析表1為部分傳熱與壓降數(shù)據(jù)。從表1可以看出，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值相差不大，傳熱最大差異為6.7% ;壓降相差較多，最大差異為11.8%。出現(xiàn)差異的主要原因分析為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^小，與 單元 流道”的假設(shè)條件差異較多。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室積累的工業(yè)數(shù)據(jù)分

9、析，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎诔叽绾瓦M(jìn)出口影響，可能帶來(lái)的最大壓降誤差為5.6%，傳熱誤差可以忽略；因此，本實(shí)驗(yàn)裝置具有較高的實(shí)驗(yàn)精度。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值模擬計(jì)算有較高的準(zhǔn)確性，可以用在異徑布管夾持結(jié)構(gòu)殼程傳熱和流動(dòng)的預(yù)測(cè)。舉1悶種換黑器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1冊(cè)llffM 果傳熬恭數(shù) /WK）壓降fPsi傳系數(shù) AV f m K) 1 SQ511530 34111.5730 572 1311604( 6S167 IS3S 443 2013104ES22833246.3：3 7313S531 36341.4243 314 26944554 63424.2251 LS4 7975加57 2

10、653.565705015621.7S58.7S4計(jì)算結(jié)果和場(chǎng)協(xié)同分析本文使用單元流道模型，對(duì)影響傳熱性能的主要邊界層處進(jìn)行分析，利用能量方程和邊界層方程，推導(dǎo)出在夾持結(jié)構(gòu)中在水平直管段以及收斂前兩部分的速度和溫度梯度場(chǎng)協(xié)同關(guān) 系。在二維不可壓縮流體流動(dòng)中，忽略縱向熱傳導(dǎo)，其能量方程為:dT+ v一創(chuàng)丿和I勿丿對(duì)式（1）在熱邊界層內(nèi)積分：(dTdy =u + v -2 I Z式中，P為換熱管脹接深度比；J為定壓比熱容T 2/如為熱邊界層厚度兌表示導(dǎo)熱系數(shù), WMm-七h(yuǎn) 丁為管板設(shè)計(jì)溫度“為流體 速度，m/s； 為Y坐標(biāo)上的速度分呈.m/s；下 標(biāo)：y = 0表示壁面參數(shù)r考慮溫升較小的悄況下

11、、 假崔流體物性不變，可將上式改寫(xiě)為欠量形式：沁訂Am-磅J=o式中，Vr表示溫度梯度矢屋# K/me 式（弭進(jìn)=步轉(zhuǎn)換.可以得到兩個(gè)矢量的關(guān)系式：(4 )j=0pC訂冷I冋）dy = - 唔由于對(duì)流，式（3）右側(cè)等干流體從管壁吸收 的熱量：=盡（7；-九）（5 ）式中.內(nèi)為對(duì)流膜系數(shù)；兀為管內(nèi)主流溫度* K； 7；表示管壁度，K.將式（門(mén)代人式（4）中，得：兀訂;岫 |X| cos 0）* =方（6）引人一些無(wú)因次變量：一 北命y * V7 = , y 品to（心-九）燉6式中為管內(nèi)主流速度.m/E.假設(shè)管壁面溫度島于主流體.則武（6）可以 簡(jiǎn)化為：ex 咖 (7 )使用FLUENT軟件對(duì)殼

12、側(cè)夾持式結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，獲得殼程內(nèi)任意點(diǎn)流體流動(dòng)的速度大 小、方向及其分布信息，并可以用矢量圖、等值線(xiàn)圖等圖形方式顯示。本論文邊界條件為： 介質(zhì)為空氣；質(zhì)量流量為0.020 kg/s ； Re為3 853 ;折流柵 間距為50 mm。提取夾持式結(jié)構(gòu)單元?dú)?cè)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的信息進(jìn)行分析。如圖4顯示，流體在流過(guò)折流元件時(shí)候，會(huì)在折流元件后面產(chǎn)生渦流。圖5為圖4中A點(diǎn)局部放大圖，可以清楚地看到，由于回流的存在，回流區(qū)的速度方向同主流區(qū)相反；流體在經(jīng)過(guò)水平直管段進(jìn)入下一個(gè)折流元件的時(shí)候，流體將經(jīng)過(guò)一個(gè)收斂階段，流向、流速改變。連度：ni/s，I6J75574.954.3313.713.092.47L86L

13、240.620,00圖4單元流道內(nèi)2 0載啦雀度云圖Fig. 4 Velocity C ontoiu; on x=0 Section ofUmt圖5 A點(diǎn)放大流動(dòng)矢冊(cè)圖Fig. 5 WloatyAinplifi匕 11花0歹ph of Point A為了更清楚地分析一個(gè)周期內(nèi)速度矢量和溫度梯度場(chǎng)矢量的關(guān)系，將這段管的流動(dòng)分為折流后部擴(kuò)散段以及水平直管段兩個(gè)部分。在這兩部分里面，分別代入速度方程和溫度方程，就可以求得在這兩部分的速度場(chǎng) -溫度梯度上的協(xié)同關(guān) 系。= 1.0擴(kuò)散段的溫度方程為:0.2=1 01 嚴(yán)(S )f -0 57316 VkJ了心=0 0551由上式可得：帀=0 01亦66嚴(yán)

14、剛由 式中，帀表示無(wú)量綱溫度，將式（10 ）和式（S ）代人式（7 ）,并積分得:卄59.553JVii,cos(10 )(Il )由數(shù)據(jù)回歸出在水平tt管段的速度方程為： f 0175u = = QAl MIm水平直管段的溫度方程為:f A-0 349 y】WT 一 九=0 346由上式可得：莎（ 14） 將上式和門(mén)2）式代人（7 ）式、并積分得： e 10.265 叫cos /?=(15 )上述各式中，Rex、x Nu、Pr分別為沿管長(zhǎng)的平均 為簡(jiǎn)便計(jì)算，工程計(jì)算時(shí)可取流道平均雷諾數(shù)和平均努塞爾雷諾數(shù)、平均努塞爾數(shù)、普朗特?cái)?shù)。 數(shù)。從上面的推導(dǎo)可以看出，在中間換熱管邊界層換熱分析中，折流柵

15、后部的直管段起主要的傳熱作用，而且其場(chǎng)協(xié)同角B擴(kuò)散段B水平直管段，可知 在占主要傳熱部分的擴(kuò)散段傳熱效果最好；這也 是夾持結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的重要原因之一。這個(gè)結(jié)論與流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分析相一致；其他換熱管也有相似的結(jié)論。圖6是通過(guò)編制自定義程序提取的速度 -溫度 梯度場(chǎng)協(xié)同角云圖。為了獲得清楚的顯示 結(jié)果，角度顯示范圍為 75。110其他角度沒(méi)有被顯 示。對(duì)于x=0截面，從圖中可以清 楚地看到，在緊鄰折流元件背部，速度-溫度梯度場(chǎng)協(xié)同角很大，傳熱較差（超過(guò)了 這部分極小，不影 響整個(gè)傳熱。越過(guò)這一段，場(chǎng)協(xié)同關(guān)系較好，這個(gè)區(qū)域具有較好的傳熱性能；隨著流動(dòng)的發(fā)展和 熱邊界層的發(fā)展，場(chǎng)協(xié)同關(guān)系逐漸變差，直到

16、下一個(gè)折流元件。這與前面推導(dǎo)的結(jié)論相符合，也與流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分析相一致。該圖還清楚的表示了夾持90。結(jié)構(gòu)的對(duì)強(qiáng)化傳熱的不可代替的作用。圖fi遽度-溫梯度場(chǎng)協(xié)同用Fig fi Field Synergy Ane of Velaaty-Temperature從上述推出的兩段區(qū)域的協(xié)同角公式中，可以分析出殼側(cè)流場(chǎng)協(xié)同角B隨著Re的變化規(guī)律。隨著Re的增加，殼側(cè)流場(chǎng)協(xié)同角的平均值B有所增大。5結(jié)論本文通過(guò)建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)單元流道”模型，對(duì)異徑布管夾持結(jié)構(gòu)換熱器殼側(cè)單相湍流流動(dòng)進(jìn)行了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合的三維數(shù)值模擬。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)確認(rèn)：該模型的數(shù)值模擬方法能夠準(zhǔn)確反應(yīng)殼側(cè)流動(dòng)和傳熱變化規(guī)律。證實(shí)

17、了異徑布管夾持結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)異的縱流支承結(jié)構(gòu)。(3) 力的作用， 果。該方法也適合于其他類(lèi)似的研究中。通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了速度矢量、 溫度梯度矢量及二者間夾角對(duì)流體換熱能 推導(dǎo)出夾持結(jié)構(gòu)殼程場(chǎng)協(xié)同角的計(jì)算公式，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)具有較好的場(chǎng)協(xié)同效參考文獻(xiàn):1董其伍，吳金星，劉敏珊等.孔板支撐換熱器殼程流場(chǎng)的數(shù)值預(yù)測(cè)J.壓力容器,2003,20(8):4 7.2D ong Qi-wu,Liu Min-sha n, Zhao Xiao-d on g.Research on the Characteristic of Shellside Su pport Structures ofHeat Excha nger with Lon gitudi