管殼式換熱器流動與傳熱特性研究①

陳加淮

(1.安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232000,2.合肥綜合性國家科學中心能源研究院,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、可靠性高等優點應用于電站、船舶、石油化工等各種行業[1-4]。隨著計算流體力學和計算機技術的蓬勃發展,數值模擬被廣泛的應用到流體的流動和傳熱計算中,國內外如Liao、Panagiotis、張洋樂等[5-7]運用流體力學對換熱器流動特性和換熱特性進行數值模擬。

利用FLUENT對管殼式換熱器進行數值模擬,研究流速和擋板數對管殼式換熱器流動和換熱特性的影響,對管殼式換熱器的設計具有理論參考價值。

1 模型建立

1.1 物理模型

管殼式換熱器的三維結構如圖1所示,換熱器由殼體、冷熱水進出口、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口和熱水出口,左右面是冷水進口和冷水出口,中間為擋板,內部是9根冷水管,具體幾何參數見表1。

表1 管殼式散熱器幾何尺寸

1.2 計算模型

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 數值模擬方法與網格劃分

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

圖2 網格劃分

2 模擬結果分析

2.1 流速對流動與傳熱特性的影響

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

圖3 不同流速下換熱器速度跡線圖

圖4為流速3m/s～6m/s時熱流體出口面平均溫度變化圖,低流速時,隨著流速的不斷增加,出口平均溫度緩慢減小,但隨著流速的持續增大,平均溫度迅速減小,當流速大于5 m/s時,溫度的減小趨勢產生減緩,明顯低于4m/s～5 m/s時的減小趨勢。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 不同流速下換熱器換熱系數變化圖

圖6 不同擋板數換熱器速度跡線圖

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

2.2 擋板數對流動與傳熱特性的影響

圖6為換熱器擋板數分別為4,6,8個時的速度流線圖,熱流體進入殼體后經過擋板從出口流出。熱流體在經過擋板時,由于擋板的阻礙作用在擋板附近產生渦流,在殼體壁面附近產生滯留區。隨著擋板數的不斷增加,殼體壁面附近的滯留區越明顯,同時滯留區的面積越來越大;隨著擋板數的不斷增加,渦流越明顯,同時產生的渦流數量也越來越多。

圖7為換熱器擋板數分別為4,6,8個時熱流體出口面平均溫度變化圖,擋板數從4個增加到6個時,出口平均溫度迅速減小,但當擋板數增加到8個時,出口平均溫度緩慢減小;擋板數從4個增加到8個時,出口溫度由82.98 ℃降低72.88℃至,降低了了10 ℃左右,擋板數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 論

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

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

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