开孔直径对管盘环式换热器性能的影响

开孔直径对管盘环式换热器性能的影响

单弓折叠流量控制器是一个传统的换热装置，一直是许多科学家的研究对象。文献的试验研究表明,弓形折流板合理开孔有利于提高壳程传热效率和减小压降。文献提出对折流板适当部位的管孔进行适当扩大,具有较好的节能降耗效果。折流板开孔后阻力系数与开孔密度有关,低开孔密度的折流板流体流动阻力系数不仅不能降低,相反会提高。文献的数值模拟结果也表明,采用在弓形折流板上开孔的方法对提高管壳式换热器的传热效率,减小壳侧压降有一定效果。笔者应用Fluent软件,采用数值模拟的方法对圆盘板上开不同直径孔的缩放管盘环式换热器壳程传热与阻力性能进行了研究,定性和定量地分析了圆盘板开孔大小对换热器壳程性能的影响,为带开孔折流板的换热器的开发研制及工程应用提供参考依据。1模型的构建和求解1.1盘环式换热器壳程结构模型的建立笔者模拟研究的对象为缩放管盘环式换热器壳程结构。由于该换热器是轴对称结构,在保证不影响结果的前提下,为了减少网格数量,以便于运用CFD软件进行计算分析,可选择其一半结构来建模。同时,对所模拟研究的换热器壳程结构作一定的简化处理,建模与网格划分时均不考虑壳体及接管壁厚、缩放管壁厚、管板厚度、圆环折流板与壳体的间隙以及缩放管与折流板的间隙,仅研究换热器壳程流体的流动区域。缩放管盘环式换热器的基本结构参数为:壳体内径151mm换热器长度1200mm壳程进出口接管内径45mm圆盘折流板直径128mm圆环折流板内径100mm折流板间距(即盘环板间距)98mm折流板厚度4mm换热器壳程结构模型如图1所示,其中缩放管的扩张段和收缩段长度相等,正方形排列,管子总长1.2m,外径为19mm,节距为12mm,肋高为0.8mm。为了研究圆盘板开孔对换热器壳程传热与阻力性能的影响,笔者还建立圆盘板上开不同直径孔时的换热器壳程结构模型,并对其进行了数值模拟研究。其中,圆盘板上开孔数量为16,开孔直径分别为4、6、8、10mm,开孔位置为4根管子围成的正方形中心。圆盘板具体开孔位置如图2所示。建模完成后,对其进行网格划分。由于该换热器壳程结构较为复杂,用Gambit中提供的体网格单元Tet/Hybrid(四面体/混合)、TGrid类型对其进行网格划分,各模型的网格数量在150万左右。网格生成后,用常用的衡量网格质量的指标EquiAngleSkew和EquiSizeSkew对网格进行检查,结果显示各模型均没有出现畸变的网格,且都能达到保证计算准确的网格质量要求。1.2壳程收敛边界条件计算中采用标准k-ε模型,压力和速度耦合采用Simplec算法,压力插值算法采用默认的标准格式,动量和能量方程离散采用二阶迎风差分格式。收敛判定条件:除能量方程残差绝对值小于10-6外,其他残差绝对值均小于10-3。当连续性方程、能量方程和动量方程中变量的残差绝对值小于设定值并不随迭代次数增加而发生明显改变时,认为计算收敛。换热器壳程流体介质为水,物性参数取定性温度下的参数值。边界条件的具体设置如下:壳程入口采用速度入口,给定适当的湍流条件,初始温度为363K,流量5000～14000kg/h,每次计算以1500kg/h为间距递增;壳程出口采用压力出口,给定适当的回流条件,出口压力值为0Pa(表压),计算结果取相对数值;缩放管壁面设置为无滑移边界(Wall),并设置其温度恒定为300K;壳程轴线截面设置为对称边界(Symmetry);壳体及接管壁面、折流板面和两端管板面均设置为不可渗透,无滑移绝热边界。2计算与分析2.1流场分布的对比在相同质量流量(9500kg/h)条件下,圆盘板上未开孔(d=0)和开孔直径d=10mm的缩放管盘环式换热器壳程轴线截面(X=0)温度场分布分别如图3所示。结果表明,换热器壳程流体的温度从入口到出口沿着轴线方向逐渐下降,这是流体与恒温壁面不断进行热量交换的结果;圆盘板上开孔对壳程流体的温度变化有一定的影响,开孔后流体温度与未开孔时相比,整体下降趋势较为缓慢,未开孔时壳程流体出口温度约为323K,开孔直径d=10mm时流体出口温度约为325K。2.2流股压力变化壳程流体质量流量为9500kg/h时,圆盘板上未开孔和开孔直径d=10mm的缩放管盘环式换热器壳程轴线截面压力场分布分别如图4所示。结果表明,换热器壳程流体的压力变化比较均匀,从入口到出口沿着轴线方向有梯度地减小;壳程进出口处压力变化明显,这是由于流体从外面到进口的流股突然扩大和出口流股的突然缩小而引起的;圆盘板上开孔对壳程流体的压力变化有较大影响,未开孔时整个流场的压降约为8200Pa,开孔直径d=10mm时壳程压降约为6600Pa,且开孔后圆盘和圆环折流板之间区域的压力分布相对更均匀一些。由此可见,圆盘板上开孔能有效地减小换热器壳程流体的压降。2.3壳程流体流场分布图5为壳程流体质量流量为9500kg/h时圆盘板上未开孔和开孔直径d=10mm的缩放管盘环式换热器壳程轴线截面速度场分布。结果表明,换热器壳程流体在盘环折流板的作用下,对管束呈交替地做纵向和横向流动,流速分布并不均匀,除进出口处流速变化较大外,流场相同区域内流速相对稳定,但在圆盘板后侧和圆环板后侧靠近折流板处流体流速较低,还出现了一定程度的流动死区;圆盘板开孔后,壳程流体流动的总体趋势没有改变,但部分流体从孔隙处流过从而增加了纵向流,这也是开孔后壳程流体压降有所减小的原因;开孔也在一定程度上改善了圆盘板后侧流体的流动状况,但流动死区依然存在。3开孔对换热器性能的影响分析3.1盘板开孔尺寸对壳程传热系数的影响图6给出了圆盘板开不同直径孔的换热器壳程传热系数ho与壳程流体质量流量qm的关系,可见:随着壳程流体质量流量的增加,圆盘板开不同直径孔的换热器壳程传热系数逐渐增大;在同一壳程流体流量下,壳程传热系数随着开孔直径的增大而减小;不同开孔直径的壳程传热系数的差距随着壳程质量流量的增大而慢慢扩大。总体上看,圆盘板开孔对换热器壳程传热系数的影响较小。进一步分析可知,在模拟研究的流量范围内,d=0mm的换热器壳程传热系数最大;d=4、6、8、10mm的壳程传热系数比d=0mm平均分别降低了3.19%、4.54%、6.29%和8.16%。3.2开孔直径对壳程压降的影响图7给出了圆盘板不同孔径的换热器壳程压降ΔPo与壳程流体质量流量qm的关系,可以看出:随着壳程流体质量流量的增加,圆盘板开不同直径孔的换热器壳程压降逐渐增大;在同一壳程流体流量下,开孔直径越大,壳程压降反而越小,且不同开孔直径的壳程压降的差距随着壳程流量的增大而不断扩大;总体上看,圆盘板开孔对换热器壳程压降的影响较为明显。进一步分析可知,在模拟研究的流量范围内,d=0mm的换热器壳程压降最大;d=4、6、8、10mm的壳程压降比d=0mm平均分别减小了2.78%、7.61%、14.02%和19.83%。3.3壳程单位压下沉的传热系数d以壳程单位压降下的传热系数作为衡量换热器壳程强化传热效果的综合性能评价指标。图8为圆盘板开不同直径孔的换热器的ho/ΔPo-qm关系对比图。可以看出:随着壳程流体质量流量的增加,圆盘板开不同直径孔的换热器壳程单位压降下的传热系数在逐渐减小的同时差距也在不断缩小;对于圆盘板开孔的换热器来说,开孔直径越大,其壳程单位压降下的传热系数也越大。进一步比较分析可知,d=4mm的缩放管盘环式换热器综合性能最差,其壳程单位压降下的传热系数比d=0平均降低了0.42%;而d=6、8、10mm的缩放管盘环式换热器壳程单位压降下的传热系数比d=0平均分别提高了3.32%、8.99%和14.56%。因此,圆盘板