外掠换热器管束流动与传热数值模拟

中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：123450外掠换热器管束流动与传热数值模拟雍青青基金项目：国家自然科学基金资助项目（No:51076105），上海科委振兴东北科技合作项目(11195820500)作者简介：雍青青（1984- ），女，宁夏回族自治区中卫市，博士研究生，主要从事传热及数值技术的研究，杨茉1，卢玫 1，王金龙1，王鹏1，徐文栋1(1.上海理工大学动力工程学院，上海，200093)(Tel: E-mail:)摘 要：人们在设计换热器时是按平均数算出平均换热系数。然而在换热器内部由于边缘管束与中间管束流动通道不同，会导致局部流动不同，进而不同位置处管束的换热情况不尽相同。所以在换热器实际应用中经常出现局部管束超温产生热偏差，同时也有局部管束过冷发生酸腐蚀现象。这正是由于在设计时没考虑管束局部换热系数不同的原因。而受试验条件的限制不可能完全获得换热器内部温度场。随着计算机的发展，借助数值模拟技术可以详尽了解到换热器内部流动与传热情况。本文对换热器内部流场、温度场进行数值模拟，导出计算结果，算出具有代表性管排的局部Nui与局部换热系数hi；另外通过茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束的换热关联式计算出平均数及数，将局部hi与平均比较，总结出一系列修正系数，从而为设计和工程应用提供理论依据。关键词：换热器，数值模拟，平均努赛尔数，局部努赛尔数，换热系数0前言换热器作为工业生产中的主要的耗能设备，合理对其进行设计对当前整个国家节能减排的目标有着重要意义。通常人们在设计换热器时，利用前人总结的一些经验关联式来计算数，进而算得平均换热系数 1。然而换热器实际运行效果常不尽如人意，如管束超温、低温酸腐蚀带来的热偏差为操作控制带来很大麻烦。产生此现象的原因正是因为换热器内部不同位置处流场不尽相同导致。如边缘管束与中间管束的流动通道不同，拐弯处和拐角处流场也差别很大，进而导致换热效果不尽相同。随着换热器型号、尺寸的增大，局部换热情况不容忽略。由于实验测试条件限制，人们无法详尽获知内部流场温度场，所以无法得到局部换热系数。随着计算机的发展，借助数值模拟技术可以详尽获知换热器内部流动与传热情况。本文就是从这一思想出发，以期解决这类问题。对于换热器外掠管束流动与传热的数值模拟前人已做了很多工作。目前常用的数值模拟模型主要有三种，分别是多孔介质模型、周期性单元流道模型和实体模型。其中多孔介质模型是最早提出的，也是应用最多，最为成熟的模型。如邓斌2用改进的k-模型考虑管束对湍流的产生和耗散的影响,用壁面函数法处理壳壁和折流板的壁面效应,对一管壳式换热器的壳侧湍流流动与换热进行了三维数值模拟。多孔介质模型采用了体积多孔度、分布阻力以及表面渗透率等概念，使复杂的几何结构和传热流动得到了简化，比较方便的实现了宏观上的换热器进行数值模拟研究。但是由于其过于简化换热器内部结构和流动过程，使得模拟结果不够准确，存在一些应用的局限性。周期性单元流道模型是近几年才提出的一种新的数值模拟模型，适用于换热器壳程几何模型具有周期性特征的模型，如杨茉3分别采用稳态和非稳态的数学模型对横掠管束的周期性充分发展流动进行了数值模拟。Sparrow等人4及Faghri等人5分别对横掠光管的流动和换热进行了数值计算和实验研究。此类模型虽然可以是得到了极大的简化，使用范围也比较小。实体模型是在近年来计算机技术逐渐提高和数值解法取得进展的基础上发展起来的简化模型，相对与其它两种模型来说，简化的并不多，但是该模型可以很精确的进行数值模拟分析，能够比较详细、真实的描述所研究的细节。如文宏刚6用实体模型模拟了管壳式换热器内部流场与温度场。然而此类文献大多都将换热器中的局部管束拿出来作为物理模型进行研究，或将换热器整体作为研究对象分析提高精度的方法，对一台换热器内部不同流场分布的管束进行分段研究从而得出修正系数的方法鲜见报道。本文对现有换热器抽象出两种模型，用fluent软件对实体模型进行数值模拟，将结果导出，代入公式计算出具有代表性管束局部Nui与hi；然后利用茹卡乌斯卡斯7对流体外掠管束的换热关联式计算出平均数算出平均换热系数，然后与前者互相比较，通过数学拟合办法得出一个修正系数，为设计和工程应用提供理论依据。1 模型及数值模拟方法1.1物理模型本文将外掠管束类换热器抽象为如图1、2所示两类物理模型。选取24排24列的管束， 管径为32mm，管间距如图3所示，S1为77mm，S2为67mm。入口S1S2图1模型一图17 水侧物理模型图17 水侧物理模型出口图2模型二图3管间距示意图1.2数学模型质量方程、动量方程、能量方程的控制方程可以显示为通用形式，它表示为：对运动方程的离散相模式描述： （1） （2）辐射输运方程： （3） 加入k方程和方程： （4） （5） 边界条件：通常模型1的换热器常用在提取烟气余热中，模型2的换热器常用于提取水的热量，所以本文中模型1流体介质选作烟气，模型2流体介质选作水，更具有实际工程应用价值。其物理参数如表1所示。表1 边界条件类型流体介质物理参数单位数值模型一烟气进口温度K413出口温度K393Re5380、8080、10800模型二水进口温度K323出口温度K363Re771、1542、2313、30841.3 数值模拟方法本文所研究换热器内部模型均为二维模型，网格划分采用三角网格。综合考虑求解时间、收敛精度以及所得结果准确性等因素后，本文采用SIMPLE算法进行问题的求解，采用非稳态2D可压缩n-s方程，利用有限体积法。模型选取为RNGk-模型。动量和能量方程的离散选用具有三阶精度的QUICK格式。离散相模式是随机轨道模型。辐射模型是p-1辐射模型,它是基于热通量的方法。经过检验，网格质量良好，模拟结果可信。2 数值模拟结果分析及与准则数的对比2.1模拟结果分析对不同雷诺数Re下的换热工况进行了模拟。模拟结果显示，模型一中选取Re分别为5380、8080、10800，得到Nu分别为54、69、82，模型二中选取Re分别为771、1542、2313、3084，得到Nu分别为30、45、58、69。图4、5分别为模型一、模型二中Re与Nu的对比情况。ReNuNuRe图4 模型1中Re与Nu的对比图5 模型2中Re与Nu的对比从图4、5可以看出，随着Re数增大，Nu数也逐渐增大，从而换热系数h也逐渐增大。这说明流动增强，换热效果加强。但是速度的增大势必带来流动阻力的增加，且冲刷管壁也会带来一定磨损。模型一中Re与压损的对比情况如图6所示。P/PaRe图6 模型一中Re与P的对比可见随着Re增大，压损也增大。模型二中由于Re较小，压损也较小，可忽略不计这一影响因素。综合考虑以上各方面因素，结合流场情况，可判定模型一中Re为8080，模型二中Re为2313为最佳工况。图712是在该雷诺数下的温度场、速度场、压力场。从图7中可看出，烟气入口温度413K，出口平均温度397K，符合设计值；图8为水侧温度场，入口水温323K，出口水温366K，符合设计值。在标记等温线值时发现：如图7、10所示，贴近换热器箱体壁处（最上、最下下列）热管周围烟气温度由413K降到405K，而中间其他列温度由413K将到397K。较同排别的热管处温度高，换热性能降低。这是因为烟气贴近上下壁温处流动通道阻力小，所以换热效果差一些。所以在设计中考虑通过采取折流板等措施强化换热。压力分布图如图9、10所示。从标记的压力分布图10可以看出，水的压损主要集中在水流拐弯处。隔板第一个转弯处压损与第二个转弯处压损相近，转弯处压损是直通道压损的近6倍。压力损失总计300Pa，设计压损值与数值模拟压损值较为吻合。计算压损阻力公式：h=u2/2=257Pa （6）图7温度场（等值线）图8温度场（等值线）图9压力场（等值线）图10压力场（等值线）最上边最下边中间最右边最左第1排从图11、12速度矢量图可看出，模型一的流场还较为均匀，模型二中的流场分布极不均匀，在拐弯处流速较大，在挡板后却出现了流速停滞的现象，流场分布不均匀导致换热不均匀，于是产生了工业中换热器热偏差、管束超温及管束酸腐蚀现象。显然图11中四边管束容易超温；图12中拐弯1、2处管束容易出现酸腐蚀，死区15容易出现超温现象。死区2拐弯2死区5死区4拐弯1死区3死区1最左第2排图11 模型一速度矢量图图12 模型二速度矢量图以上的分析都是围绕数值模拟结果及流场显示现象得出，接下来文章通过导出模拟结果，代入公式计算出以上所述代表性管束的局部Nui与hi，并与茹卡乌斯卡斯准则公式计算出来的平均、做对比。2.2 平均、与局部与对比茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束的换热总结出了一套表面传热系数计算关系式。烟气侧Re=8080，水侧Re=1696，可选择此公式：错排管束Nu=0.35(s1/ s2)0.2Ref0.6Prf0.36(Prf/Prw)0.25,s1/s22 (5)其中适用Re数范围1032105。它是用于计算沿流体流动方向排数大于或等于16的管束平均表面传热系数的关联式。式中定性温度为管束进、出口流体的平均温度；Prw按管束的平均壁温确定；Re数中的流速取管束中最小截面处的平均流速；特征长度为管子外径。将已知量代入茹卡乌斯卡斯关联式计算得烟气侧=79.38烟气侧平均换热系数=84W/(mK)水侧=50.29水侧平均换热系数=1031W/(mK)代表性管束位置如图11、12所示。从模拟结果中可看出存在流动换热旺盛区和流动换热滞缓区。将数值模拟结果做后处理，导出具有代表性的管束局部换热系数，如下表2所示。表2 hi与比较 类型位置（W/(mK)）（数值计算得来）（茹卡乌斯卡斯关联式计算得来）偏离的程度模型1最左第1排88.4845.2%最左2排101.520.8%最左3排103.823.6%最左4排99.618.6%最左5排92.29.8%最左6排91.38.7%最右24排84.10.1%最上边90.88.1%最下边91.08.3%中间管束85.41. 7%平均90.27.4%模型2死区1802103122.2%死区274627.6%死区365336.7%死区490212.5%死区589213.5%拐弯126271883154.8%拐弯22632155.3%贴近壁面处管束114210.8%其它区125521.7%表2比较结果分析：对于模型一：1）流体外掠管束流动发展成了一种正周期性流动。在第1、2排时hi还较大，第3、4排逐渐减小，第5排往后逐渐趋于稳定。2）最上边与最下边的hi较中间管束大。这是由于贴近壁面通道处流速更大，流动更强烈，所以hi较中间管束大。所以这些边缘效应应引起注意。对于模型二：1）模型二流场较为复杂，从数值计算的hi可以看出，特殊位置处的hi较偏离很大。尤其拐弯处的所以换热器内部特殊位置hi的已超过平均两倍多。所以此类问题的hi不容忽略。2）若不考虑到局部换热系数，将会带来死区处酸腐蚀，拐弯处超温的现象。所以我们在设计计算时需要考虑到这些问题。通过分析模拟所得数据，运用数学拟合办法得出一系列修正系数，提出一种改进的茹卡乌斯卡斯外掠管束计算Nu数的关联式：错排管束Nu=0.35(s1/ s2)0.2Ref0.6Prf0.36(Prf/Prw)0.25,s1/s22 (6)贴近壁温处：=1.1拐弯处：=1.4死区处：=0.78其中适用Re数范围1032105。它是用于计算沿流体流动方向排数大于或等于16的管束平均表面传热系数的关联式。式中定性温度为管束进、出口流体的平均温度；Prw按管束的平均壁温确定；Re数中的流速取管束中最小截面处的平均流速；特征长度为管子外径。将修正后的公式应用到其它Re数下的模拟工况，经过对比证明，改进后的关联式可有效减小计算所得Nu值与模拟所得Nu值间的偏差程度。3 结论本论文通过对所选热管换热器的设计方法与数值模拟研究，得出以下主要结论：1）本文对现有的常用换热器两种模型进行了数值模拟，模拟结果表明流体外掠管束流动发展成了一种周期性流动。在第1、2排时hi还较大，第3、4排逐渐减小，第5排往后逐渐趋于稳定。2） 模拟结果表明，在换热器内部贴近壁面处换热系数较平均换热系数偏小，中间管束与设计值较为吻合3）通过速度场显示与模拟结果数据分析，证明了换热器内部拐角处出现一些死区，这个时候换热效果很差，容易出现管壁超温现象；而在拐弯处换热强烈，容易出现酸腐蚀现象。4）本文通过模拟数据的计算整理，通过数学拟合办法得出了具有代表性管束的修正系数，对茹卡乌斯卡斯外掠管束计算Nu数的关联式进行了改进。经过比较，改进后的关联式可有效减小计算所得Nu值与模拟所得Nu值间的偏差程度。 参考文献1史美中，王中铮，热交换器原理与设计，2版，南京，东南大学出版社，2003.82邓斌，陶文铨，管壳式换热器壳侧湍流流动与换热的三维数值模拟，化工学报，2004年7月，第55卷第7期，105310593 杨茉，叶剑军等，西安交通大学学报，2011年11月，第35卷第11期，11221125横掠管束非稳态周期性充分发展流动的数值模拟4Sparrow E M, Kang S S. Longitudinally-finned cross-flow tube banks and their heat transfer and pressure dropcharacte