管束异型排列制冷蒸发器沸腾传热性能数值模拟

1、管束异型排列制冷蒸发器沸腾传热性能数值模拟第38卷第10期2010年l0月化学工程chemicalengineering(china)voi_38no.10oct.2010管束异型排列制冷蒸发器沸腾传热性能数值模拟金如聪,贺小华(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京210009)摘要:制冷蒸发器是制冷系统中的重要设备,其沸腾传热性能对整个系统的能源利用效率有着显着影响.文中以管束异型排列的制冷蒸发器为研究对象,通过fluent软件模拟计算,分析探讨了管束排列方式对蒸发器壳程流场及沸腾传热性能的影响.计算结果表明,在相同的流体进料量下,异型管柬排列蒸发器的压力变化趋势与正方形排列的相似.在综

2、合性能上,具有合理气流通道的异型管束排列蒸发器明显优于管束正三角形排列和正方形排列的蒸发器.关键词:制冷蒸发器;异型管束排列;流场;沸腾传热中图分类号:tq028.6文献标识码:a文章编号:1005-9954(2010)10-0078-04numericalsimulationonboilingheattransferperformanceofrefrigerationevaporatorwithirregulartubebundlesarrangementjinru-cong,hexiao-hua(schoolofmechanicalandpowerengineering,nanjingun

3、iversityoftechnology,nanjing210009,jiangsuprovince,china)abstract:refrigerationevaporatoristheimportantequipmentinrefrigerationsystem.theboilingheattransferperformanceoftheevaporatorhassignificantinfluenceoiltheenergyutilizationefficiencyinwholesystem.therefrigerationevaporatorwithirregulartubebundl

4、earrangementwasstudiedwithfluentsoftware,andtheeffectoftubebundlearrangementontheshellsidefluidflowandtheboilingheattransferperformancewasdiscussed.theresultsshowthatatthesamefluidfeedrate,thepressurechangetrendoftheevaporatorwithirregulartubebundlearrangementissimilarwiththatoftheevaporatorwithsqua

5、retubebundlearrangement.forthecomprehensiveperformance,theirregulartubebundlemodelwithreasonableairflowchannelsisobviouslybetterthanbothsquareandequilateraltriangletubebundlesmodels.keywords:refrigerationevaporator;iegulartubebundlearrangement;flowfield;boilingheattransfer管壳式蒸发器是一种通过流体介质相变来实现传热的热交换设

6、备.因其安全可靠,结构紧凑,高效传热等特点,在化工,制冷,海水淡化等行业领域中有着广泛的应用.随着计算数值传热学,计算流体力学及计算机技术的发展,数值模拟方法被广泛地应用于蒸发器性能的研究.本文以某公司引进的制冷蒸发器为研究对象,在对蒸发器壳程流场数值模拟的基础上j,应用fluent软件进一步对蒸发器沸腾传热性能进行研究,分析了管束排列方式对蒸发器流动状态及沸腾传热性能的影响,为制冷蒸发器的设计与优化提供参考依据.1计算模型及模拟1.1多相流模型多相流体的流动受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括质量守恒定律,动量守恒定律及能量守恒定律.在fluent软件中,多相流vof模型是通过求解单独的

7、动量方程和处理穿越区域的每一流体的体积分数来模拟多相流体的.在vof模型中,相界面跟踪是通过求解带有体积分数的连续方程来完成,而且任意控制体内的所有相的体积分数和n=1.各相所受的控制方程组表示如下:第i相的连续方程作者简介:金如聪(1985一),男,硕士,主要从事过程设备cfd技术研究;贺小华,女,教授,通讯联系人,电话:(025)83587299,e.mail:.金如聪等管束异型排列制冷蒸发器沸腾传热性能数值模拟?79?鲁+?v=+主i=l(-rh/j)()动量守恒方程导()+v?(,)=一vp+v(vl,+vpt)+f(2)能量守恒方程詈(pe)+v?v(p

8、e+p)=v?(v)+sh(3)式中:为第i项的体积分数,l,为速度张量,为相到i相的质量传输,为i相到相的质量传输,属性jd和有效传热率.j.是被各相共享的,为黏度,f为体积力,e为能量,源相sh包含了辐射在内的体积热源.区域4区域3区域2区域11.2几何模型由于蒸发器管束的排列方式具有左右对称性,故取其一半作为计算域,对管束异型排列蒸发器的壳程流体流动与沸腾状态进行数值模拟时,如图1所示.同时本文以文献7中规定的标准排列形式为基础,分别建立正三角形排列和正方形排列模型与异型排列模型进行比较,从而直观地反映出管束排列方式对蒸发器流场与沸腾传热的影响.在3种换热管排列模型中布置相同数量的换热管

9、,各区域的换热管数量也基本一致,从而保证各模型内换热面积的相同.3种管束排列模型如图i所示,其中图1(a),(b),(c)分别为异型排列,正三角形排列和正方形排列(a)异型(b)正三角形(c)正方形图1换热管排列形式fig.1arrangementofheatexchangetubes1.3网格划分网格划分的合理性影响到计算结果的准确性.为保证计算精度本文模型采用四边形网格.由于管束区域流体通道狭小(最窄处距离z=4.66mm),为了得到较为精确的数值解,故对换热管壁附加区域网格进行细化,模型划分30000左右单元网格,网格划分如图2所示.图2壳程流场通道模型网格fig.2elementmes

10、hdrawingofshell?sideflowfluidmodel1.4边界条件与数值方法本文采用有限容积法求解控制方程组,控制方程压力项的插值方式采用bodyforceweighted格式,速度和压力的耦合采用simplec算法.在人口处给定液相速度和温度;换热管壁面边界给定温度.对于传质现象的模拟,采用李文和模型编译udf子程序对vof模型进行补充.2计算结果与分析采用fluent6.3软件对3种管束排列形式下蒸发器沸腾传热及气液二相流动进行数值模拟.2.1流体介质沸腾状态流体介质在换热管壁面受热蒸发形成气泡的过程如图3所示.经过换热管的加热,近壁面液态介质相变成附着在换热管壁的小气泡.

11、同时远离壁面流体温度较低与近壁面受热流体存在温差,则通道内流体产生对流流动.在浮力及对流挟持作用的影响下,气泡?80?化学工程2010年第38卷第1o期脱离换热管壁面进入流体通道;随着受热时间的增加,壁面上的气泡快速长大,且受对流流体的挟持作用更加明显,使得气泡沿流体走向发展.在蒸发器壳侧流道内不断有大量的气泡形成,长大和脱离,从而实现沸腾传热.图4分别给出了3种排列模型下,蒸发器壳程流体通道的气相体积分数云图.图中深色部分为液相流体,浅色部分为气相流体.由图可知,在非布管区域流体通道内有大量气泡聚集,正三角形模型中无管区域通道内气泡较大;相对正方形模型,异型排列模型元管束通道内的气泡更为密集

12、.这主要是由于异型排列模型中,管束的分块排布及倾斜通道,使得介质蒸发形成的气泡在生长过大前能迅速脱离管束的约束,进入壳程通道中的无管区域.图3沸腾模拟fig.3boilingsimulationa)异型(b)正j角形fc)正方形图4体积分数云图fig.4volumefractioncontour2.2二相流场压力分布由图5可以看出,二相流体绕流换热管束时的压力分布的趋势,随着流体绕流管束的距离增加,流体压力逐步减小.异型排列管束模型中,气液二相流体绕流形成的压力变化与正方形排列很相似,2条压力变化曲线也是呈胶着状态.与三角形排列相比,异型排列压力降的幅度较弱.安图5壳程压力分布fig.5pre

13、ssuredistributionchartofshell-side2.3蒸发器传热性能图6给出了3种排列模型中各局部区域管束的传热系数.各模型最上端管束(区域4管束)的传热效率基本差不多,随着流体逐步深入管束区域,其传热效率开始有较大差别.总体而言,异型排列模型的沸腾传热性能优于其他排列模型.这主要是由于异型管束排列中,管束分块数目较多,且各管束区域是以错开的换热管为边界,从而管束区域间形成倾斜流体通道,流体介质受热所形成的蒸汽气泡能迅速有效地从倾斜通道进入无管束区域,一定程度上促进了低温流体介质接触换热管壁面.在正三角形排列模型中,由于各管束区域以整排水平的换热管为边界,从而形成水平陈列的

14、空隙,同时各区域内换热管间空隙曲折的缘故,使得布管区域中心位置的换热管处的流体介质蒸汽较难脱离管束的约束,容易在管之间形成气泡堵塞阻碍低温流体介质的补充.正方形排列模型中,虽各管束区域间空隙如正三角形模型呈水平,但由于换热管顺排的缘故,管间存在垂直贯通的流体通道,使得管间气泡对低温流体介质的阻碍略低于正三角形排列,故正方形排列管的传热性能稍强于正三角形排列.金如聪等管束异型排列制冷蒸发器沸腾传热性能数值模拟?81?区域1区域2区域3区域4管束区域块图63种模型中局部区域管束的传热系数fig.6localheattransfercoefficientforthreemodels基于压力损失与传热

15、性能的变化规律,近年来,国内外许多学者提出以单位压力降下传热系数大小来综合衡量换热器工作效率的评判标准.表l给出了3种管束排列蒸发器的传热系数以及单位压力降下传热系数.可以看出具有良好气流通道特性的异型排列模型在综合性能上优于正三角形排列和正方形排列.因此在管束排列的设计上应设置合理的气流通道,防止下部分管束区域产生的大量流体介质气泡对管束流体通道形成阻塞,降低蒸发器的换热性能.表1不同管束排列蒸发器传热性能table1heattransfercoefficientofdifferenttypeoftubelayoutevaporators3结论本文运用fluent软件,根据沸腾传热原理及多相

16、流模型,对管束异型排列蒸发器管外的沸腾传热及二相流动进行了数值模拟.分析研究了管束异型排列下,流体介质因沸腾传热现象而产生的二相流体绕流换热管的运动,初步研究了管束异型排列蒸发器的沸腾换热性能.模拟结果表明,在相同的入口速度下,管束异型排列模型中流体压力分布与正方形排列相似较为平缓,压力损失较正三角形排列来得小;管束异型排列蒸发器在综合换热性能上有着优越的表现.在蒸发器设计时,应该考虑介质蒸汽的产生与脱离对蒸发器性能的影响.合理安排壳程流体通道,选择合适的管束分块数目及流体通道的倾斜角度,在布管许可范围内适度加大管间距,有利于介质蒸汽的排除,一定程度上改善蒸发器的性能.参考文献:1patank

17、ersv.computationalmodelingofflowandheattransferinindustrialapplicationsfj2.internationaljournalofheatandfluidflow,20o2,23(3):222-231.2阮并璐,刘广彬,赵远扬,等.制冷系统中水平管降膜式蒸发器内部流动数值模拟j.西安交通大学,2008,42(3):318-322.3聂建虎,陶文铨,王秋旺.具有复杂结构的换热器出水管段内湍流的数值模拟j.西安交通大学,2000.34(5):1318.4吴晓敏,莫少嘉,李辉,等.水平管内流动蒸发数值模拟及可视化研究j.丁程热物理,2009,30(2):312_314.5金如聪.制冷蒸发器蒸发过程研究及异型管板设计分析d.南京:南京工业大学,2010.6江帆,