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螺旋折流板换热器层流流动与换热器的数值模拟
作者:管板 来源: http://www.edwenzler.com 发布时间:2016-06-08 10:33:23
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应用多孔介质和分布阻力模型对一螺旋折流板管壳式换热器的壳侧层流流动与换热进行了三维数值模拟,并与该换热器的实验研究结果进行了对比分析,符合程度良好 证明了该方法能有效地模拟螺旋折流板换热器的流动和换热特性。

关键词:螺旋折流板换热器;多孔介质和分布阻力模型;数值模拟

中图分类号:TK124 文献标识码:A 文章编号:0253—231X(2007)05-0853-03

1。引言

换热器是炼油、化工、环保、能源、电力等工业中一种重要的设备 管壳式换热器占整个换热器市场的3O% 左右。管壳式换热器的改进和发展对于我国的节能战略具有很重要的意义。

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螺旋折流板管壳式换热器在9O年代初首次提出,捷克科学家Lutcha,Stehlik及Nemcansky等,对其做了系统的研究,其研究成果均被美国ABB公司买断,未再公开发表,ABB公司已制造出了较成熟的产品,应用效果良好,销量可观。由于技术封锁,在螺旋折流板管壳式换热器的流动与换热特性研究方面尚有许多工作可做。

本文针对所选的换热器试件(图1),采用多孔介质及分布阻力模型模拟其流动和换热特性,并与实验结果进行比较,验证了模拟方法的准确性。该方法可以快捷而有效地分析螺旋折流板换热器的流动与换热特性。

2换热器基本几何参数

计算模型采用螺旋角为22.5度的螺旋折流板换热器,几何参数见表1。本文所计算的换热器以油一水作为换热工质,油通过壳侧,由于油类粘性较高,一般处于层流流动状态,壳侧流动按层流处理。

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3 数值模拟方法

3.1 多孔介质和分布阻力模型

由于管壳式换热器结构复杂,为将其结构精确表达出来,所需的网格数目将是十分惊人的。根据文献[4]中的描述,要模拟具有500根换热管和10个折流板的换热器中的流动,将需要1。5亿个网格单元,这大大超出了目前一般计算机的计算能力。为此,Patankar和Spalding[5J提出了分布阻力方法,也称为多孔介质模型方法。之后,Sha等对多孔介质模型进行了改进,提出了表面渗透率的概念l引,并模拟了蒸汽发生器和核反应堆堆芯中流体的流动,Prithiviraj和Andrews基于上述理论模拟了三维弓形折流板换热器中的流动和换热。本文中多孔介质参数和分布阻力以及表面渗透率详细的计算方法可参考文献[8],不再赘述。

3。2 多孔介质特性参数表示准连续介质的控制方程

壳侧单相流动的以多孔介质特性参数表示的方程组可以统一表示为:

3.3 进出口边界的处理和控制方程的求解

入口取轴向均匀流速,切向与法向速度为零,流入管壳式换热器时流速方向竖直向下。出口边界对切向和轴向速度采用充分发展的条件,对法向速度采用局部质量守恒的边界条件。固体壁面取无滑移边界;换热器的壳体外壁视为绝热,对称线处取温度法向一阶导数为0,折流板作为导热系数为入 的固体,采用区域扩充法将折流板上的点做内点求解;给定管侧和壳侧流体的进口温度;管侧的换热系数用Dittus—Boelter公式计算得出,管侧换热量作为源项加入壳侧控制方程;速度与压力的耦合关系采用SIMPLE算法处理,代数方程求解采用CTDMA算法。不规则区域的网格采用阶梯逼近的方式生成。

4 数值模拟结果及对比

实验对比数据选用文献[3]中的实验结果,计算工况见表3,计算结果与实验结果对比见表4。对比条件条件为: (1)油侧和水侧的流量已知;(2)油侧和水侧的入口温度已知。比较参数:(1)实验测定的壳侧压降和计算获得的壳侧压降; (2)实验测定的油侧和水侧出口温度和模拟计算获得出口温度。

从表4可以看出,压降计算值和试验值比较的最大偏差为10.3% ,随着流量的增大,相对误差偏大。由于计算时没有考虑管子与折流板及折流板与壳壁之间的间隙,实际的实验试件中这些间隙是存在的,因此计算的压降大于实测值。壳侧油出口温度的最大相对偏差为1.87%,水出口温度的最大相对偏差为一3.35%,符合程度都是很好的。

在本文中,根据体积多孔度,表面渗透度的概念,采用分布阻力方法建立了螺旋折流板式管壳式换热器壳侧层流流动的三维数值模型,使用该模型对一台换热器壳侧的流动与换热进行了三维数值研究,并将本文的计算结果与换热器的实验结果进行了对照,计算所得的压降及壳侧和管侧出口温度均与实验值符合良好,验证了本文提出的模型能有效地模拟螺旋折流板管壳式换热器壳侧的流动和换热特性

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