不同螺旋折流板换热器壳侧流动的数值研究

1、    不同螺旋折流板换热器壳侧流动的数值研究                         更新时间：2009-10-23 14:47:27              

2、0;                                                 

3、0;       王晨桑芝富                                 (南京工业大学机械与动力工程学院)    摘要:采用数值模拟方法,

4、运用大型CFD分析软件Fluen,t研究了1/4椭圆螺旋折流板换热器、1/3扇形螺旋折流板换热器以及常见的1/4扇形螺旋折流板换热器壳程流体的流动特点,并与传统的 弓形折流板换热器进行对比。采用Gambit软件建立模型和划分网格,采用分离变量法隐式求解, 压力和速度耦合采用Simple算法。结果认为,螺旋折流板换热器的传热及阻力性能低于弓形折流 板换热器,1/4椭圆螺旋折流板换热器的传热性能及压力损失最小,其次是1/4扇形螺旋折流板换热 器,1/3扇形螺旋折流板换热器的壳程传热及阻力性能最高。     关

5、键词:螺旋折流板换热器壳程流体传热数值模拟     引言     螺旋折流板换热器是伴随高效传热技术的广泛 开展而产生的一种新型节能管壳式热交换设备, 广泛应用于石油、化工及天然气领域。目前,有关 螺旋折流板换热器的研究工作多数以扇形折流板结 构为主,研究中主要分析螺旋折流板换热器与弓形 折流板换热器在性能上的差异,以及结构和操 作参数对螺旋折流板换热器性能的影响。 在已有的研究工作中,关于不同螺旋折流板结构 对换热

6、器性能影响的报道并不多见。笔者采用 数值模拟方法,运用大型CFD分析软件Fluen,t研究 了1/4椭圆螺旋折流板换热器、1/3扇形螺旋折流板换热 器以及常见的1/4扇形螺旋折流板换热器壳程流体的流 动特点,并与传统的弓形折流板换热器进行对比,为 螺旋折流板换热器结构优化设计提供了依据。    螺旋折流板的结构设计    不同结构的折流板如图1所示,其中3种螺旋 折流板均由标准椭圆切割得到,在布置折流板时均 以标准椭圆的短轴为旋转轴。其区别在于:

7、1/4椭圆 螺旋折流板由标准椭圆沿其长短轴切割得到。1/4扇 形螺旋折流板两直边相等并以标准椭圆的短轴对 称,折流板夹角1应大于90°,且随螺旋角的不同而变化。这2种结构的一个完整螺旋由4块折流板 组成,单块折流板在换热器壳程横截面上的投影为 90°。1/3扇形螺旋折流板的直边同样沿标准椭圆的 短轴对称,但折流板夹角2在螺旋角相同的条件 下应大于14扇形螺旋折流板的夹角1且在壳体横 截面上的投影为120°,一个完整螺旋由3块折流 板组成。1/4扇形和1/3扇形螺旋折流板的实际

8、形状并 不是通常所说的圆形扇形,而是椭圆形扇形。之所 以称之为扇形折流板,是因为其在换热器壳体横截 面上的投影是严格的圆形扇形。由图1可以看出, 一块完整的椭圆圆板最多可以加工出2块1/4扇形或 1/3扇形螺旋折流板,而同样的板材却可以加工出4 块1/4椭圆螺旋折流板。因此,从节省材料的角度考 虑,1/4椭圆螺旋折流板具有明显的优势。                &

9、#160;         数值计算模型    1·计算模型    数值计算模型均采用U形管换热器结构,结 构形式为12型,即单壳程双管程,管、壳程流 体分别为热水和冷水,体积流量分别为4、5·5 m3/h。表1、表2给出了换热器以及折流板的结构 参数,其中弓形折流板的缺口弦高为0·32倍的壳 体内径。    

10、;                  2·计算方法和边界条件    采用Gambit软件建立模型和划分网格,由于螺 旋折流板在壳程的布置为螺旋形,是复杂的三维模 型,所以采用四面体和金字塔网格来划分,网格总 数约120万。采用分离变量法隐式求解,保证收敛 的稳定性,标准-湍流模型考虑湍流效应对流动 与传热的影响,压力和

11、速度耦合采用Simple算法, 动量、能量以及湍流参量的求解采用二阶迎风格式, 质量及能量计算残差控制在10-4数量级。计算流体 进口采用速度入口条件,给定流体流速、温度及相 应的湍流条件,出口采用压力出口边界,壳体壁面 和折流板采用不可渗透、无滑移绝热边界。    结果分析    1·传热与阻力性能    表3是根据模拟得到的管、壳程进出口处的温度和压力,以及换热管外表面平均壁温,得出的不 同折流板结构换

12、热器壳程Nusselt准数和Euler准 数。从表3可以看出,螺旋折流板换热器的传热及 阻力性能低于弓形折流板换热器;对于不同螺旋折 流板结构形式的管束,1/4椭圆螺旋折流板换热器的 传热系数和压力损失最小,1/3扇形螺旋折流板在有 效提高壳程传热系数的同时会导致换热器壳程阻力 增大,1/4扇形螺旋折流板换热器的性能介于二者之 间,这与文献11的结论一致。将模拟得到的 Nusselt准数和Euler准数与文献11中相同操作 工况下的试验值进行比较,可以看出误差均在可接 受范围之内,证明了模拟的可

13、靠性。                     2·流线分布    图2为轴向z=570740mm处,换热器的壳 程流线图。从图中可以看出,弓形折流板换热器壳 程流体呈Z字形流动。而在螺旋折流板换热器中, 壳程流体在折流板的作用下,整体呈现出近似的螺 旋状柱塞流动。在相邻2块弓形折流板之间区域内&#

14、160;流体的流动方向几乎与换热管相垂直,而在螺旋折 流板换热器中,壳程流体的流动方向与换热管呈一 定夹角,这使弓形折流板换热器的传热和阻力性能 要高于螺旋折流板换热器。                      在螺旋折流板换热器壳程中心区域,由于三角 区的存在,有部分流线几乎与壳体中心线平行,且 有少量波动。这说明在壳体中心

15、区域存在短路现 象,这部分流体对于传热以及压力损失作用不明 显,这也是弓形折流板和螺旋折流板换热器性能差 异的原因之一。    在不同螺旋折流板结构换热器中,由于1/4椭圆螺 旋折流板采用连续搭接,其它2种螺旋折流板采用交 错搭接以保证螺距相同,并且1/3扇形螺旋折流板的搭 接量大于1/4扇形螺旋折流板。采用交错搭接可以减小 三角区的面积,从而减少漏流,提高了换热器的传热 性能和流动阻力。从图中可以看出,随着搭接量的减 小,3种螺旋折流板换热器的漏流呈递增趋势。因此

16、, 在相同流量下,1/3扇形螺旋折流板换热器的壳程传热 及阻力性能最好,其次是1/4扇形螺旋折流板换热器, 1/4椭圆螺旋折流板换热器最低。    3·流场分布    图3为不同折流板结构换热器轴向z=700mm 处壳程横截面的流场分布图。从图中可以看出,对 于弓形折流板换热器,在靠近壳壁区域,流动呈两 边比较对称的爬升或下降流动(由折流板窗口位 置决定),2股流体在顶部(或底部)相遇转而流 向管间,构成了复杂的管间流场。而在

17、螺旋折流板 换热器的管束外围与壳壁之间区域,由于换热管的 扰流作用减弱,呈现出有规律的旋转流动,管间流 体虽然受到换热管的扰流作用较强,但从整体上来 看,依然呈现出一定的旋转,并且整个横截面上流 速分布比较均匀。                         图4为轴向z=570740mm处,不同

18、折流板结构 换热器壳程纵向截面的流场分布图。从图中可以看 出,在弓形折流板换热器中,折流板背部区域流速较 低,说明在折流板附近存在流动死区,而局部区域的流速较高,流速分布不均匀。螺旋折流板换热器壳程 流体的流速分布比较均匀,几乎不存在流动死区。 在3种螺旋折流板中,1/3扇形螺旋折流板换热 器的壳程流体流速最高,1/4扇形螺旋折流板的壳程 流体流速略高于1/4椭圆螺旋折流板。究其原因,螺 旋折流板是利用多块平板相互连接组成近似螺旋通 道,一个螺距内,平板的数量越多,所组成的近似 螺旋通道就越接近

19、理想螺旋。同时,相邻螺旋折流 板之间采用交错搭接结构,不仅减小了三角区的面 积,而且减少了漏流,同时也会破坏螺旋的连续 性。结构上的不规则性和非连续性造成了流体流速 的提升,提高了换热器的传热和阻力性能。由于1/3 扇形螺旋折流板一个螺距内只有3块平板,且搭接 量最大,1/4扇形螺旋折流板和1/4椭圆螺旋折流板一 个螺距内的折流板数量相同,但是前者有少量搭 接,造成三者之间性能的差异。           

20、             结论    通过数值模拟研究了3种不同螺旋折流板结构 换热器的壳程流动特点,并与普通弓形折流板换热 器进行了对比。结果表明:    (1)螺旋折流板换热器的传热及阻力性能低 于弓形折流板换热器。而在3种不同螺旋折流板结 构换热器中,1/4椭圆螺旋折流板换热器的传热性能 和压力损失最小,其次是1/4扇形螺旋折流板换热 器,1/3扇形螺旋折流板换热器的壳程传热及阻力性 能