圆形翅片管换热器传热性能的影响因素分析

圆形翅片管换热器传热性能的影响因素分析

在现代工业生产中，尤其是在石油、化工等领域，由于其良好的密封和抗压能力，管道成为一种广泛使用的化工设备。正是由于它的广泛应用,强化传热技术在管壳式换热器上的研究一直是技术发展的重点。其中一种强化传热手段就是在热管的表面进行修饰,这一手段吸引了全世界诸多科学工作者的关注。几十年前,人们就通过在传热管表面加装翅片的方法进行强化传热,翅片管应运而生。近几年,关于圆形翅片管换热器的各参数对传热性能影响的研究也有许多,多集中于对翅片间距、翅片厚度、翅片半径及数目的优化,还有一些研究是集中于换热条件、翅片材料等对传热效率的影响,但是,都没有考虑翅片管纵向管间距的变化及管束排列方式的影响。笔者通过实验得到了雷诺数(Re)、纵向管间距(Sl)及管束排列方式对换热器性能的影响规律,再利用数值模拟方法对实验结果从速度分布与场协同2个方面进行验证,考察了这3种因素对换热器传热性能的影响。1实验部分1.1翅片管的布置改变换热器管束排列及管间距的传热性能实验装置的主要部分为一个碳钢板材质的内插翅片管的矩形通风管道。该通风管道长l=2000mm,宽b=350mm,高H=360mm,内插9排翅片管,翅片管的布置方式及数目见图1。翅片管直径Dr=16mm,翅片直径Df=32mm,翅片厚度tf=1mm,翅片之间的间距Y=6mm,每根翅片管上有57个翅片。翅片管的横向间距保持不变(St=66mm),纵向管间距(Sl)分别取66、110、120和130mm。实验时只对第6~8排翅片管通入蒸气进行加热,并将温度维持在300K,前5排翅片管是为使空气流动达到充分发展状态而设,第9排翅片管是为避免出口处对换热的干扰而设。1.2温度测定和测量温度图2为改变换热器管束排列及管间距的传热性能实验装置的示意图。空气经离心风机驱动进入管道内,经过笛形管段、入口段、实验测试段后流出通道,空气入口处的流量可由笛形管测得。采用铜-康铜热电偶测定各测温点温度并由数据采集仪读取,其中空气入口与出口处采用多点测温,取平均值。采用补偿微压计测量温度段的压降。实验时,打开风机、风机频率控制器及锅炉开关,控制风机风量和蒸汽温度,在趋于稳定后,记录数据。然后改变风机风量,测得在不同Re的2种排列方式下不同管间距的换热和阻力大小。2模拟方法：加热设备的传热性能值2.1动态涉及的模型由于图1中所示圆形翅片管换热器结构的对称性,在建模软件Gambit中建立模型时可取图1中阴影部分简化模型,采用三维双精度解法器进行计算。设置边界条件时,假设管壁为常温壁,忽略管壁厚度对导热的影响,忽略翅片与管壁间的接触热阻,认为翅片根部温度与管壁温度一致,忽略辐射换热。任何流动与传热过程都受连续性方程、动量方程和能量方程支配,在此不一一进行描述。模型的进、出口分别设为速度入口及压力出口。在实际计算过程中,为了避免在出口段出现回流现象,将出口处计算区域适当延长。由于近壁面区域温度变化剧烈,因此对近壁面区域进行网格加密,湍流模型采用RNGκ-ε双方程模型,速度和压力耦合采用SIMPLE算法,压力离散为Standard,动量、湍动能、湍动能耗散率、动量的离散均采用二阶迎风格式,整个区域除能量的残差控制在10-9以下,其余物理量的残差均控制在10-6以下。2.2节点网格独立性检验为了得到网格独立的解,以矩形排列方式下Sl=66mm时风速u=5.3m/s为例,对不同节点数的网格进行计算,检查其网格独立性,计算结果如图3所示。综合考虑计算精度的要求和计算机配置的实际情况,所采用网格数为289224。从图3可以看出,采用的网格对模拟结果具有独立性。对于其他的计算模型均进行网格检查,在此就不一一进行列举。2.3强化传热评价综合因子的确定通过实验得出雷诺数Re、管束排列方式及管间距对传热性能的影响,再通过数值模拟的方法对影响结果进行分析。当在考察某一因素的影响时,保持其他参数不变。雷诺数Re、努塞尔数Nu及阻力系数f分别由式(1)~(3)计算。顺排和叉排时圆形翅片管换热器传热系数的计算公式分别为式(4)、(5)。对于强化传热效果的评价,采用PEC(Performanceevaluationcriteria)作为评价准则较为合适,强化传热评价综合因子η由式(6)计算。当η>1时,说明改进的传热方式有强化传热的作用;反之则表明改进的传热方法的综合传热效果不及参照传热管的。关于强化传热理论,Guo等曾提出对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性以及流体与壁面的温差,而且还取决于流体速度场与流体热流场间的协同程度。速度与温度梯度之间的协同越好,在其他条件相同情况下换热就越强烈;速度场与温度梯度2个矢量场的协同越好就意味着速度与温度梯度间的夹角应尽可能地小,两者应尽量平行,即速度场与温度场之间夹角余弦值的绝对值越大。场协同角θ可由式(7)计算,区域的平均协同角θm可由式(8)计算。3结果与讨论3.1实际数据处理为了验证翅片管换热器(以下简称换热器)传热性能实验的可靠性以及模拟的准确性,以Sl=66mm为例,将实验和模拟所得的Nu与经验值进行比较,结果列于表1。先由式(4)计算得到传热系数,再由式(2)得到顺排方式下的Nu经验值;先由式(5)计算得到传热系数,再由式(2)得到叉排方式下的Nu经验值。由表1可以看出,实验值与经验值的相对误差在10%以内,而模拟值与经验值的误差则在8%以内,均在可接受的范围内,说明实验系统和所采用的数学模拟可靠。3.2r-lino数re对换热器的传热性能的影响3.2.1排换热器的构成Re变化范围为4970~23620,Sl=66mm保持不变,顺排和叉排换热器的Nu及f随Re的变化如图4所示。由图4可以看出,顺排和叉排换热器的Nu和f随Re的变化趋势一致,Nu均随Re的增加而增大,但增长趋势逐渐下降,而f则随Re的增加而降低,下降趋势也随Re的增加而降低。3.2.2re的影响顺排和叉排换热器的速度矢量与温度梯度间的夹角θ随Re的变化示于图5。由图5可以看出,随着Re的增加,2种换热器的速度矢量与温度梯度间的夹角均逐渐增加,说明速度矢量与温度梯度的协同性随着Re的增加逐渐变差。速度矢量与温度梯度的协同性越差,则换热器的传热性能也会随之降低,这也是Nu随Re增加而增加的趋势逐渐变小的原因。3.3垂直管道距离sl对换热器性能的影响3.3.1纵向管间距对传热性能的影响顺排和叉排换热器在4种不同纵向管间距下的阻力系数及努塞尔数随Re的变化示于图6。从图6(a)可以看出,顺排换热器在Sl=66mm时的阻力系数最小,随着Sl的增大,阻力系数不断增加,但是趋于平缓。而对于Nu值,在Sl=66mm时也是最小,而增加纵向管间距后,其Nu值明显变大。说明增加Sl后,顺排传热器的传热性能变好。从图6(b)可以看出,增大Sl后,叉排换热器的阻力系数有所下降,与此同时,Nu值也随着降低,说明叉排换热器的传热性能与顺排的相反,随Sl的增加而降低。图7为不同管间距下顺排和叉排换热器的综合传热因子(η)随Re的变化。2种排列方式下均以相应的Sl=66mm的传热性能作为参照。由图7可以看出,顺排换热器的η值随Sl的增大而减小,但其值均大于1,说明增大纵向管间距可以提高顺排换热器的传热性能;间距大于110mm后,其η值又有所降低,说明并不是纵向管间距越大越好。在本次实验中,Sl=110mm时换热器的综合传热性能达到最好。叉排换热器的η值均小于1,说明增大纵向管间距,其传热性能反而不如作为参照的Sl=66mm时的传热性能。3.3.2顺排换热器内流体速度分布为了得到纵向管间距变化对换热器流道内流速分布的影响,分别在翅片中心位置(A-A)及翅片间的中心位置(B-B)各取1个截面,如图8所示。图9为不同管间距下顺排换热器A-A和B-B2个截面处的流线分布。由图9可以看出,流体在流经翅片管时,在翅片后及管后均存在回流区。在Sl=66mm的A-A截面,由于翅片间空间较小,在有效传热表面处回流区的流体流线最密,传热性能最差;从4个间距的B-B截面可以清楚看到,随着Sl的增加,回流的剧烈程度逐渐减弱,流体流线变稀,传热性能变好。由于回流区的存在影响流体在此处的速度分布,顺排换热器在Re=23620时,不同管间距下A-A截面流体的速度分布示于图10。由图10可以看出,在翅片管的下游区域由于回流的影响,速度基本为零,说明此处存在流动死区,限制了此处热量与外界的交换。回流区占有效传热面积的大小会影响换热情况,面积越大换热越差,许多研究人员研究纵向涡发生器的目的就是为了减小回流区面积。由图10还可以看出,当Sl为66mm时,回流区面积占相邻两翅片间面积的比例最大,传热最差;当Sl增加到110mm时,回流区面积占相邻两翅片间面积的比例明显变小;随着Sl继续增加,相邻两翅片间的回流面积占整个翅片间面积的比例有所增加,且随着尾流涡尺寸的增大,流体阻力也随之增大。从上述回流面积与尾流涡分布的变化可以看出,在Sl为110mm时顺排换热器可获得最高η值。图11为叉排换热器A-A和B-B2个截面在Re=23620和不同Sl下的流线分布。由图11可以看出,叉排方式下,随Sl的增加,翅片及管下游的回流区不断增加,回流程度加强,说明增大Sl后,翅片下游的流动死区面积也在不断增加。图12为在不同Sl下叉排换热器翅片中心面处的速度分图。由图12看到,流体速度分布随Sl的变化与图9中回流区的变化一致,叉排方式下Sl为66mm时的回流面积占相邻两翅片间面积的比例最小,即流动死区面积最小,此时传热性能最好;随着Sl增加,回流面积明显变大,传热性能下降,与传热综合因子的变化趋势一致。说明不管是顺排还是叉排,要提高翅片管换热器的传热性能,减小翅片下游的回流区面积是其中一个方法。3.3.3sl和sl对传热协同性的影响不同排列方式换热器在不同管间距下协同角随Re的变化示于图13。从图13可以看出,顺排换热器在Sl=66mm时,协同角最大,传热的协同性最差;Sl=110mm时,协同角最小,传热的协同性最好;Sl>110mm时,协同角虽然比Sl=66mm时的小,但是随着Sl的继续增加,协同角也增大,说明传热性能最佳值在Sl=110mm处。叉排换热器的协同角随着Sl的增加而增加,说明传热性能随着Sl的增加而减小,在Sl=66mm时最好。以上结果与综合传热因子的变化趋势相一致,说明场协同理论能够很好地解释传热性能变化的原因。从图13也可以看出,2种换热器在不同Sl时协同角均随Re的增加不断变大,说明传热的协同性随Re的增加而变差。3.4纵向管间距的影响将顺排换热器相应管间距下的传热性能作为参照,得到的叉排换热器的η值随Re的变化如图14所示。由图14可以看出,叉排换热器η值均大于1,说明在4种不同纵向管间距下,其传热性能要优于顺排换热器的。而图13中叉排换热器各间距下的协同角明显要小于顺排式相应管间距下的协同角,这主要是由于叉排排列不仅通过在管壁上加装肋片来改善传热,而且通过管束的交叉排列,使流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动,增强了扰动效果,而并不像顺排时的流道相对平直,易在管子及翅片下游区域形成滞流区,因此叉排换热器的传热效果要明显优于顺排换热器的传热效果。4管间距sl对翅片管换热器传热性能的影响(1)顺排和叉排圆形翅片管换热器的努塞尔数Nu和阻力系数f均随雷诺数Re的增加而增大,且增长趋势逐渐下降,这是由于随着Re的增加,速度场与温度梯度间协同角也不断变大的缘故。(2)顺排圆形翅片管换热器综合传热性能随管间距Sl的增加而增大,在Sl=110mm时达到最大。此时翅片下游的回流区面积最小,速度场与温度梯度间的夹角最小,尾流的涡尺寸适中,这解释了η值可达最大的原因。叉排圆形翅片管换热器的综合传热性能变化与顺排圆形翅片管换热器的不同,随Sl的增加而降低,在Sl=66mm时传热性能最好。此时翅片下游的回流区面积、速度场与温度梯度间的夹角最小,尾流的涡尺寸最小,这也解释了η值可达最大的原因。(3)叉排圆形翅片管换热器的综合传热性能要明显优于顺排的,从2种排列下相应管间距下的协同角的变化也可以得到该结果。管的阻力及管排数A0———每米翅片管的管外表面积,m2/m;ρ———空气密度,kg/m3。A*0———每米光滑管外表面积,m2/m;Af———每米翅片管的翅片表面积,m2/m;b———通风管道宽度,mm;Cp———比热容,kJ/(kg·K);Df———翅片直径,mm;Dr———翅片管直径,mm;f———阻力系数;f0———参照传热管的阻力系数;Gmax———流过管束流体的最大质量速度,kg/(m2·h);H———通风管道高度,mm;hair———空气侧传热系数,W/(m2·K);l———通风管道长度,mm;n———翅片管的管排数;Nu0———参照传热管的努塞尔数;Nu———努塞尔数;Δp———压力降,Pa;Re———雷诺数;St———横向管间距,mm;Sl———纵向管间距,mm;T———温度,K;tf———翅片厚度,