針翅管換熱器數(shù)值模擬及其針翅優(yōu)化

    摘要：為了提高針翅管的傳熱效果,對(duì)針翅的長(zhǎng)度、直徑、間距和傾角等參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)組合,對(duì)針翅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用正交設(shè)計(jì)方法,分別模擬9組針翅管的壓降及傳熱性能,流體介質(zhì)為水-柴油,物性參數(shù)為等效溫度下的常量。結(jié)果表明,針翅管有較大的擴(kuò)展表面,且針翅對(duì)流體有擾動(dòng)作用,能大幅度地提高外傳熱膜系數(shù);在所選針翅傳熱性能的4個(gè)影響因素中,針翅縱向間距是最敏感的。最后從理論上指出下一步強(qiáng)化傳熱的發(fā)展趨勢(shì),即改變縱向間距或改變針翅間的傾斜角度。
    關(guān)鍵詞：針翅換熱器　正交設(shè)計(jì)　強(qiáng)化傳熱　優(yōu)化
    　引　言
    近年來(lái),國(guó)內(nèi)在石化換熱設(shè)備強(qiáng)化傳熱方面,雖然對(duì)油品的換熱采用了低翅片螺紋管,擴(kuò)大了傳熱面積,但強(qiáng)化傳熱仍然有限,對(duì)結(jié)垢和結(jié)焦難題仍沒有很好地解決。針翅管能夠強(qiáng)化傳熱,在運(yùn)行中積垢較少,且耐腐蝕,特別是高粘度介質(zhì)對(duì)其污染程度輕。正因?yàn)槿绱?針翅管可解決高粘度流體結(jié)垢和結(jié)焦問(wèn)題以及高溫腐蝕性煙塵氣的積灰問(wèn)題,具有其他強(qiáng)化傳熱管無(wú)可比擬的優(yōu)越性。我國(guó)哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的配“齊魯150 T/h”D型爐渣油加熱采用太陽(yáng)棒針翅管結(jié)構(gòu),有效地解決了強(qiáng)化傳熱和防止污垢等問(wèn)題。華南理工大學(xué)化工機(jī)械與安全工程研究所對(duì)此進(jìn)行了多年的研究,并與中國(guó)石化集團(tuán)公司北京設(shè)計(jì)院合作,對(duì)針翅管傳熱效果及流體力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究[1],研制出斜針翅高效傳熱元件。該元件對(duì)管外是高粘度油品傳熱的管殼式換熱器強(qiáng)化效果顯著[2]。增大針翅長(zhǎng)度、減少針翅間距,可以增大翅化系數(shù),從而增強(qiáng)傳熱。但隨著針翅長(zhǎng)度的增加,導(dǎo)熱熱阻也隨之增大,針翅效率則逐漸降低,壓降增大,管束直徑也增大。當(dāng)針翅長(zhǎng)度增大到一定程度時(shí),翅片的導(dǎo)熱熱阻和金屬耗量會(huì)大到足以抵消由于傳熱面積增加所帶來(lái)的收益時(shí),進(jìn)一步增大針翅長(zhǎng)度對(duì)強(qiáng)化傳熱就沒有任何意義了,這就存在一個(gè)最佳長(zhǎng)度的選擇。另外,對(duì)于一定的畢渥數(shù)Bi,針翅直徑的增大,間距的減小,可以增加傳熱量但是針翅間距的減小又限制了針翅直徑的變化范圍[3]。因此,要想得到較好的傳熱效果,必須對(duì)針翅的長(zhǎng)度、直徑、間距、傾角等參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)組合,對(duì)針翅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
    　數(shù)學(xué)模型建立與邊界條件
    1、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定
    筆者建立的針翅管模型如圖1所示。
               
    尋找針翅管表面的最佳幾何參數(shù),使單位傳熱量的換熱器體積最小。若忽略管壁及污垢熱阻,則針翅管的傳熱熱阻為[4]:
               
             
    當(dāng)φ值最小時(shí),V/S也是最小值,式(3)或(4)即為單位溫差傳熱量所需換熱器體積最小時(shí)的目標(biāo)函數(shù)。在針翅管基管直徑d0給定的情況下,式(3)中的獨(dú)立變量可表示為:
    φ=φ(l,d,nt, s,αi,αo) (5)
    針翅管內(nèi)側(cè)傳熱膜系數(shù)αi值與擴(kuò)展表面的幾何參數(shù)及流動(dòng)條件無(wú)關(guān),可作常數(shù)處理,而針翅管外側(cè)傳熱膜系數(shù)αo值取決于擴(kuò)展表面的幾何參數(shù)和流動(dòng)條件。筆者在設(shè)計(jì)針翅管時(shí),考慮l、s、nt、d4個(gè)因素,且各取3個(gè)水平,同時(shí)考慮其相互約束,得因素與水平參數(shù),如表1所示。
              
    2、　流體物性及邊界條件
    筆者采用正交設(shè)計(jì)方法,分別模擬9組針翅管的壓降及傳熱性能。流體介質(zhì)為水-柴油,柴油走殼程,熱水走管程,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;試驗(yàn)中,殼程流體Re<2 300,其流動(dòng)為層流,設(shè)定粘性模型為層流模型;而管程流體Re>10 000,為旺盛湍流,設(shè)定粘性模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。管程和殼程進(jìn)口溫度分別設(shè)為343·55、307·85 K[5];由于針翅管套管換熱器的殼程結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,采用四面體網(wǎng)格劃分。模型中邊界類型有4種:進(jìn)口、出口、管壁和殼壁與實(shí)體(傳熱壁和釘頭)[6]。針翅管套管換熱器管程和殼程流體的熱傳遞和流動(dòng)必須滿足基本控制方程,即能量方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程。內(nèi)外管壁采用隱式分離求解對(duì)流與熱傳導(dǎo)的熱量交換;殼體壁面采用不可滲透、無(wú)滑移絕熱邊界。根據(jù)正交表[7],共設(shè)計(jì)9種管型,各管型幾何參數(shù)見表2。
               
    　數(shù)值模擬和正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析
    1、　溫度場(chǎng)矢量圖
    圖2a是針翅管換熱器截面溫度矢量圖(Z=400 mm)。從圖可以看出,管程的平均溫度約345K,殼程的平均溫度約309 K,針翅周圍溫度明顯呈梯度分布,溫度最低處約312 K,這是殼程流體與釘頭的熱交換所致;傳熱管壁的溫度大約為334K,殼程有釘頭的部位溫度比殼程其他部位偏高;而管程內(nèi)靠近管壁面的部位溫度稍低。
              
    從圖2b可以看出,傳熱管外壁的溫度大約為334 K,在有針翅的部位溫度比壁面其他部位高;針翅周圍溫度明顯呈梯度分布,溫度最低處約313K,最高處約為334 K,殼程流體與針翅存在熱交換現(xiàn)象。
    2、　殼程靜壓損失與靜壓力分布
    圖3為殼程靜壓分布與流體靜壓損失圖。其中圖3a為殼程流體從進(jìn)口(Z=100 mm)到出口(Z=800mm)的靜壓力分布圖。由圖可以看出,從進(jìn)口到出口,殼程流體壓降變化是有規(guī)律的,在Z=100~800mm,壓降呈階梯狀變化,這是因?yàn)榇硕斡嗅槼岬姆植?總的殼程壓降變化約為160 Pa。圖3為與之對(duì)應(yīng)的換熱器殼程流體靜壓損失圖,其壓降變化趨勢(shì)與圖3a較接近,呈階梯狀分布。
              
    3、　軸線方向流體質(zhì)點(diǎn)跡線圖
    圖4為殼程流體從進(jìn)口到出口沿軸線方向流動(dòng)時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)的跡線圖。由圖可以看出,流體從進(jìn)口進(jìn)入后,在進(jìn)行軸向流動(dòng)的同時(shí),當(dāng)流經(jīng)針翅時(shí)所有針翅都受到流體的橫向擾流,提高了流體的擾流度。同時(shí),當(dāng)流體流入針翅管束時(shí),在前置針翅上開始形成層流邊界層,但邊界層隨即在后置針翅上被破壞,并在后置針翅的漩渦區(qū)中消失。隨后再在下一排針翅上形成新的邊界層,又反復(fù)被破壞使整個(gè)換熱面充分利用邊界層起始段薄、熱阻較小的有利條件。
               
    4、　數(shù)值模擬結(jié)果分析
    圖5是光管、直針翅管和斜針翅管套管換熱器模擬的殼程總傳熱系數(shù)K、壓降、外傳熱膜系數(shù)αo和綜合換熱性能(采用ho/Δp評(píng)價(jià)其綜合換熱性能)隨殼程進(jìn)口速度的變化曲線。
               
    保持管程流速基本不變,改變殼程流速時(shí),可以看出:
    (1)針翅管套管換熱器和光管換熱器的總傳熱系數(shù)K、壓降、外傳熱膜系數(shù)均隨管內(nèi)外進(jìn)口流速的增加而增加,且針翅管均明顯高于光管;
    (2)在同樣低的殼程進(jìn)口流速狀態(tài)下,針翅管管外綜合換熱性能明顯優(yōu)于光管;
    (3)隨著殼程流速的增大,針翅管換熱器和光管換熱器的ho/Δp均隨管外流速的增加而降低;
    (4)模擬結(jié)果表明, 7號(hào)管的傳熱效果最佳2號(hào)管在低雷諾數(shù)下的綜合換熱性能最佳。
    5、　正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析
    以傳熱系數(shù)K作為考查指標(biāo)來(lái)對(duì)針翅式換熱器的正交設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。
               
    從表3可以看出, 7號(hào)管的傳熱系數(shù)最大,其值為369W / (m2·℃)。計(jì)算每個(gè)因素水平導(dǎo)致結(jié)果之和的極差ΔK,見表4。根據(jù)極差大小順次排出因素的主次順序?yàn)锽(s) >A(l) >C(n) >D(d)。
               
    根據(jù)表4所列出的計(jì)算數(shù)據(jù)作各因素對(duì)傳熱影響水平的趨勢(shì)圖(圖6)。從中可以確定每個(gè)因素的可能最佳水平。最后在因素和所選水平中便可以找出“可能最優(yōu)方案的答案”是B1(s) >A3(l) >C2(nt) >D3(d)。
               
    從以上的結(jié)果分析可知,在所選的針翅傳熱性能的4個(gè)影響因素中,針翅間距最為敏感。在以后對(duì)換熱器性能的研究中,主要的工作應(yīng)該放在改變針翅間距上,從而達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化和緊湊的目的。
    　結(jié)　論
    (1)模擬結(jié)果表明, 7號(hào)管的傳熱效果最佳。
    (2)針翅管具有較大的擴(kuò)展表面,且針翅對(duì)流體有擾動(dòng)作用,能較大幅度地提高外傳熱膜系數(shù);與光管相比,低雷諾數(shù)下的強(qiáng)化倍數(shù)大于高雷諾數(shù)下的強(qiáng)化倍數(shù),特別適用于高粘度油品介質(zhì)的強(qiáng)化傳熱場(chǎng)合。
    (3)通過(guò)對(duì)正交設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析,得出了4個(gè)影響因素之間的靈敏度差異,其中針翅縱向間距是最為敏感的。因此,從理論上得出了強(qiáng)化傳熱下一步的發(fā)展趨勢(shì),即改變針翅縱向間距或針翅間的傾斜角度,能更好地達(dá)到針翅管強(qiáng)化傳熱和緊湊性的目的。