螺旋隔板光滑管單管換熱器的數(shù)值模擬

摘要:采用ＦＬＵＥＮＴ6.0軟件對整個(gè)螺旋隔板光滑管單管換熱器的流場、溫度場和壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬,并與實(shí)驗(yàn)測量和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。流場模擬結(jié)果顯示,流體在殼程呈螺旋狀流動,沒有死區(qū),而且流速比較均勻,變化比較小,從而進(jìn)一步驗(yàn)證了許多學(xué)者經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究分析得出的螺旋隔板換熱器具有的優(yōu)良性能。
　　關(guān)鍵詞:螺旋隔板;流場;溫度場;壓力場
　　中圖分類號:ＴＫ172　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Ａ　　文章編號:1009-3230(2006)03-0001-05
　　在數(shù)值模擬過程中國外已開發(fā)出ＰＨＯＥ ＮＩＣＳ、ＦＬＯＷ3Ｄ、ＡＮＳＹＳ、ＦＬＵＥＮＴ等大型通用ＣＦＤ軟件,這些軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換,并采用統(tǒng)一的前、后處理工具,能夠很好解決一維、二維、三維及層流或湍流、單相或多相、穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的傳熱和流體流動問題,對每一種物理問題的流動特點(diǎn),都有適合它的數(shù)值解法,用戶可對顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇,以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。目前,ＣＦＤ已在換熱器方面得到應(yīng)用。
　　1　螺旋隔板光滑管單管換熱器的實(shí)驗(yàn)工況
    螺旋隔板光滑管單管換熱器的一組實(shí)驗(yàn)工況為:管程進(jìn)口溫度為20.20℃(293.35Ｋ),出口的溫度是25.36℃(298.51Ｋ),進(jìn)口流量為350Ｌ ｈ,通過計(jì)算,進(jìn)口流速為0.73ｍ ｓ;殼程進(jìn)口溫度為56.40℃(329.55Ｋ),出口溫度為50.50℃(323.65Ｋ),進(jìn)口流量為310Ｌ ｈ,通過計(jì)算,進(jìn)口流速為0.23ｍ ｓ,流體進(jìn)入螺旋流道后的流速為0.89ｍ ｓ。
    2　螺旋隔板光滑管單管換熱器的物理模型
    解算器為“ＦＬＵＥＮＴ5 6”。螺旋隔板光滑管單管換熱器主要是單根光滑管外纏繞螺旋隔板(見圖1)并將其套入內(nèi)徑為27ｍｍ的圓管殼體而成。
    實(shí)物尺寸是:換熱器外筒的內(nèi)徑為27ｍｍ,光滑管的內(nèi)徑為13ｍｍ,管壁厚為1.5ｍｍ,螺旋隔板的間距為18.8ｍｍ,螺旋隔板厚度為1.2ｍｍ,整體長度為580ｍｍ。
    3　數(shù)值模擬
    3.1　流體物性及邊界條件
   流體介質(zhì)為水,熱水走殼程,冷卻水走管程,物性參數(shù)為等效溫度下的常量;管程流體和殼程流體采用逆流形式換熱;將管程和殼程流體的入口速度分別設(shè)為0.73ｍ ｓ、0.23ｍ ｓ,在設(shè)定的流速條件下流體均可以達(dá)到湍流;管程和殼程進(jìn)口溫度分別設(shè)為298.51Ｋ、329.55Ｋ;內(nèi)外管壁采用耦合求解對流與熱傳導(dǎo)的熱量交換;殼體壁面和隔板采用不可滲透、無滑移絕熱邊界。
    3.2　數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算
    3.2.1　數(shù)學(xué)模型螺旋隔板單管換熱器管程和殼程流體的熱傳遞和流動必須滿足基本控制方程:能量方程、質(zhì)量守恒方程、動量方程,同時(shí),管程和殼程流體流動為湍流,所以還應(yīng)加上湍流模型方程。
    (1)基本控制方程
    能量方程:
                   
    (2)湍流模型方程
    數(shù)值計(jì)算中,湍流模型的選擇需要綜合考慮求解區(qū)域的復(fù)雜程度、流動的主要特征以及計(jì)算資源等因素。綜合考慮數(shù)值精度和計(jì)算條件,本文采用標(biāo)準(zhǔn)ｋ-ε模型,該模型適合完全湍流的流動過程模擬,它假設(shè)流動為完全湍流,分子粘性的影響可以忽略。該模型需要求解湍動能及其耗散率方程。
    標(biāo)準(zhǔn)ｋ-ε模型的湍動能ｋ和耗散率ε方程為如下形式:
                  
    3.2.2　數(shù)值計(jì)算
    在螺旋隔板單管換熱器數(shù)值模擬過程中,用離散、迭代、收斂的方法對流體的基本控制方程和湍流模型方程進(jìn)行獨(dú)立求解,此外,還需要給定流動方程、湍流方程、能量方程離散因子的值。
    4　模擬結(jié)果及其分析
    4.1.1　溫度場模擬結(jié)果及其分析
    圖2是螺旋隔板光滑管單管換熱器蹬殼程流體進(jìn)口溫度跡線圖。從圖中可以看到流體溫度大約為329Ｋ(實(shí)驗(yàn)值為329.55Ｋ),還能看到越靠近傳熱管壁的地方溫度越低,存在主流體向管壁方向的溫度梯度,原因是流體與管壁進(jìn)行了熱交換。
    圖3是螺旋隔板光滑管單管換熱器的殼程流體出口的溫度跡線圖。從圖上可以看到出口溫度為322Ｋ左右,同實(shí)驗(yàn)測得的溫度值323.65Ｋ非常接近。而且靠近傳熱管壁的地方溫度較低,大概在315Ｋ左右,存在主流體向管壁方向的溫度梯度。
    圖4是螺旋隔板光滑管單管換熱器管程流體進(jìn)口溫度跡線圖。從圖中可以清楚看到越靠近傳熱壁的地方溫度越高,大約在300Ｋ左右,管程的中心區(qū)域溫度大約在293Ｋ(實(shí)驗(yàn)值為293.35Ｋ)。
    圖5是螺旋隔板光滑管單管換熱器管程流體出口溫度跡線圖。從圖上可以看到出口溫度為297Ｋ左右,同實(shí)驗(yàn)測得的溫度值298.51Ｋ非常接近。同時(shí),還能看到出口溫度呈明顯的從管壁到中心的溫度梯度分布。
    圖6是螺旋隔板光滑管單管換熱器截面溫度跡線圖(Ｘ=0ｃｍ)。從圖上可以看出在換熱器的軸向上,殼程熱流體從左向右流動時(shí),流體的溫度逐漸變低;管程的冷流體是從右向左流動時(shí),溫度逐漸升高。
    圖7是螺旋隔板光滑管單管換熱器截面溫度跡線圖(Ｚ=20ｃｍ)。從圖中可以清楚看到殼程、傳熱管壁以及管程的溫度分別情形,殼程的溫度大體分布在322Ｋ～325Ｋ之間,傳熱管壁的溫度在311Ｋ左右,管程流體的溫度在293Ｋ～297Ｋ之間。
    4.1.2　流場模擬結(jié)果及其分析
    圖8是螺旋隔板光滑管單管換熱器整體流場矢量圖。從圖中可以看到由于折流板的螺旋布置,殼程流體整體呈螺旋狀流動。殼程的流體沒有進(jìn)入螺旋流道前是低流速0.23ｍ ｓ。圖中清楚地顯示了流體進(jìn)入螺旋流道時(shí)的流動狀況,流速是瞬時(shí)增大,而且流速分布比較紊亂,原因是進(jìn)入螺旋流道時(shí),流通面積突然減小;隨著流體螺旋運(yùn)動的推進(jìn),流體的流速分布均勻,而且變化平緩。流體的平均流速在0.9ｍ ｓ左右,這同實(shí)驗(yàn)值0.89ｍ ｓ很吻合。
    圖9是螺旋隔板光滑管單管換熱器截面流場矢量圖(Ｘ=0ｃｍ),圖10是螺旋隔板光滑管單管換熱器截面局部流場矢量圖(Ｘ=0ｃｍ),圖4-11是弓形隔板換熱器折流板附近流場分布圖[3]。從圖4-9和圖10可以看出在換熱器的軸向上,殼程流體的流速流動速度變化比較平緩,而且在任何地方都沒有死區(qū)和返混區(qū)。從圖11可以看出弓形隔板附近存在死區(qū)和回流區(qū),這是由于弓形隔板與主流方向正交,其對流動的阻擋和削弱作用較大。
    4.1.3　壓力場模擬結(jié)果及其分析
    圖12是螺旋隔板光滑管單管換熱器殼程進(jìn)口壓力圖,圖13是換熱器殼程出口壓力圖。從圖中可以看出進(jìn)口壓力約為72000Ｐａ,出口壓力約為64100Ｐａ,壓力差約為790Ｐａ,與實(shí)驗(yàn)值831.5Ｐａ很接近。
    圖14是螺旋隔板光滑管單管換熱器截面壓力圖(Ｘ=0ｃｍ),圖中顯示壓力為72000Ｐａ,平滑下降到為64100Ｐａ,壓降非常小,這是因?yàn)闅こ塘黧w整體呈螺旋狀流動,螺旋隔板附近不會出現(xiàn)流動死區(qū),流動速度變化比較平緩,因此,不會造成很大的殼程壓力損失。
    5　結(jié)論
    螺旋隔板光滑管單管換熱器的流場、溫度場和壓力場的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量或計(jì)算值比較非常吻合,證明了采用的模擬方法的正確性,同時(shí)直觀顯示了殼程的流場、溫度場以及壓力場的形成和變化規(guī)律。有助于進(jìn)一步了解螺旋隔板換熱器殼程的流動形態(tài)和傳熱特性。