换热装置中的数据模拟与核算

更新日期:2012-11-16

    扁管管壳式换热器是一种兼有传统管壳式换热器和板壳式换热器优点的新型高效换热器。所以本文特以扁管管壳式换热器为例,利用数值模拟的方法对此种新型高效换热器换热管的流动与传热性能加以分析研究,讨论各参数对其流动与传热性能的影响。
    1、计算模型
    物理模型扁管的几何模型,4种扁管截面周长相等,管长L均为1500mm,各扁管均以19mm×1mm的不锈钢普通圆管为基管压制而成。文中建立圆弧直径A与直边长度B比值不同的扁管和普通圆管的三维模型,各模型截面的几何参数。
    数值模型在直角坐标系中,对流2扩散方程的通用公式表示如下:9(ρ<)9t99xρu<-Γ<9<9x9yρv<-Γ<9<9y99zρw<-Γ<9<9z=S<式中,u为x方向速度,v为y方向速度,w为z方向速度,m/s;t为时间,s;ρ为流体密度,kg/m3;Γ<为扩散系数;S<为源项。
    对连续方程,<=1;对动量方程,<=u,v,w,T(T为温度,K);对湍流脉动动能方程,<=k;对湍流耗散率方程,<=ε。式中各项物理意义及经验系数值。在标准k2ε模型中,k和ε是两个基本未知量,与之相对应的输运方程为:9(ρk)9t9(ρkui)9xi=99xjμμtσk9k9xjGkGb-ρε-YMSk9(ρε)9t9(ρεui)9xi=99xjμμtσε9k9xjG1εk(GkC3εGb)-G2ερε2kSε其中,涡流粘度μt用下式表示:μt=ρCμk2ε式中,Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,Gb为浮力引起的湍动能k的产生项,σk和σε分别为与湍流动能和耗散率ε对应的普朗特准数,σk=1.0,σε=1.3;ui为液相速度分量,m/s;μ为粘性系数;ρ为两相密度的算术平均值,kg/m3;C1ε、C2ε、C3ε、Cμ皆为常数,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=1.2,Cμ=0.09.YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献,Sk和Sε为自定义源项。
    由管内流体定义为不可压缩流体,且不考虑自定义的源项,Gb=0,YM=0,Sk=0,Sε=0;对时间的偏微分项均为0.此时,标准k2ε变为:9(ρkui)9xi=99xjμμtσk9k9xjGk-ρε9(ρεui)9xi=99xjμμtσε9k9xjG1εkGk-G2ερε2k1.3边界条件流体介质为水,物性参数为等效温度下的常量。
    在各换热管的进口处,给定入口质量流量分别为0.05、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80kg/s,相应的温度条件为300K.出口压力为0,无回流条件。壁面无滑移,并且壁面温度恒定,T=400K.
    数值方法采用控制体积法对控制方程进行离散,采用差分格式二阶迎风法,压力变量p用线性松弛法迭代求解,其余变量用附加伪时间步法进行松弛迭代求解,计算区域采用六面体结构化网格离散处理,其中近壁处网格加密。
    2、计算结果分析
    流动特性在入口质量流量为0.8kg/s,入口温度300K时,各管子出口截面上的速度云图。可以看出,1~4扁管横截面上速度分布与普通圆管相比发生了很大的变化。随着圆弧直径A的减小,截面中心处的最大流速越来越大。圆管截面上的最大流速为4.29m/s,1~4
    扁管截面上的最大流速分别为4.52m/s、5.37m/s、7.12m/s和10.1m/s.管子越扁平,左右两壁离管子的中心越近,所以相对的平壁之间速度梯度明显增大,使得直边平壁的传热效率提高。
    管内传热系数和温差在不同入口质量流量且入口温度恒定的情况下,几种实验用管管内传热系数、温差与入口质量流量间的变化关系和。从可知,随着入口流量增加,传热系数增大。随着A/B的减小,相同入口流量下的传热系数比普通圆管均有提高。
    
    流量越大提高越明显。在入口流量为0.8kg/s时,1~4扁管的传热系数相对圆管的分别提高了约4、41、52、95.与文献[2]中的实验结果比较,由于选取的介质不同,数值模拟结果与实验结果的趋势是相同的()。相对圆管,所有扁管进出口间的温差增大了,而且随着直边段长度越大,温度差越大,同时也会使阻力增大。
    管内压降在不同入口质量流量且入口温度恒定的情况下,各换热管进出口压降与进口流量之间的关系。可以看出,在进口流量相同条件下,扁管管内的压降高于圆管。这是由于扁管管内的流通面积较圆管小,介质流速高,压力损失大。一定直径的圆管压制成4种不同A/B的扁管后,由于横断面积和当量直径的减小,而使管内流速和雷诺数得以提高。因此,在流量相同时扁管管内介质易达到湍流状态,利于传热强化。显然,减小A/B可以提高传热强化效果,但也不宜过小,过小会增加动力消耗。
    扁管同时具有管和板的特性,随着直边段的增长,扁管的承压能力降低。因此,在质量流量相同的情况下,虽然4扁管传热性能最优,但是还应结合流量大小和扁管的承压能力来选择。由于流量的增加,压降亦增加明显,所以应选择小流量介质走管内,这样有利于提高传热的经济效率。
    3、结论
    第一点:在入口质量流量相同的情况下,扁管的管内传热性能优于普通圆管,且强化传热效果随着A/B的减小而更有利于传热。
    第二点:在入口质量流量相同的情况下,扁管的传热系数、进出口温度差和压降都高于圆管。 


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