山东庆邦能源科技有限公司国家级大型企业集团。本公司具有一二类压力容器设计许可证、三类压力容器制造许可证、D级锅炉设计制造许可证、消防设备制造许可证、环保工程专业承包资质、机电设备安装专业承包资质、环境工程设计资质和自营进出口权。全面通过国际ISO9001质量体系认证。公司主营一二三类压力容器,供水消防设备,各类工业及民用换热器换热机组等换热设备。主要产品有等离子体换热器等离子体改性强化换热机组,板式换热器,模块换热器,容积式换热器,智能换热机组,囊式膨胀水箱,无负压供水设备,除氧器,热网加热器等。下面给大家介绍一下: 换热器数值参数的分析
         螺旋扭曲扁管换热器采用螺旋扭曲扁管为换热元件,换热管外缘保持螺旋线紧密接触,相互支撑在换热管间形成螺旋形流道,使管程流体和壳程流体均产生旋转流动,强化了流体扰动和传热。为了便于管子与管板连接,螺旋扭曲扁管两端保持圆形,且管束中不设折流板,因此壳程无流动死区,流动阻力较小,也不易结垢。另外,换热管之间保持点接触而且壳程流体主要为纵向流动,能很好的克服诱导振动,操作可靠性提高。
  本文借助于大型CFD软件Fluent对螺旋扭曲扁管换热器壳程流动及传热情况进行了三维数值模拟。因工程实际应用中换热器壳程流体大多处于旺盛的湍流状态,所以重点对湍流状态下换热器壳程流动和传热情况进行了研究。
  1、几何模型为了便于计算分析,螺旋扭曲扁管换热器和弓形折流板换热器均采用了7根换热管的简化模型,换热管有效长度为1500mm,直径为25mm,换热器筒体直径为100mm,弓形折流板换热器的折流板间距为167mm,忽略换热管、筒体及折流板的厚度。为了说明螺旋扭曲扁管换热器的换热管的几何结构对其壳程流动及传热性能的影响,建立具有不同S/de(螺旋扭曲扁管螺距与其当量直径之比)值的螺旋扭曲扁管换热器三维模型。
  2、数学模型
2.1控制方程在三维正交笛卡儿坐标系下,换热器壳程流体的流动和传热必须满足以下几个控制方程:连续性方程:ux vy wz=0(1)x方向动量方程:ut uux vuy wuz Px=2ux2 2uy2 2uz2 gx(2)y方向动量方程:vt uvx vvy wvz Py=2vx2 2vy2 2vz2 gy(3)z方向动量方程:wt uwx vwy wwz Pz=2wx2 2wy2 2wz2 gz(4)能量方程:CpTt uTx vTy wTz=2Tx2 2Ty2 2Tz2 Q(5)因研究的对象为壳程流体湍流流动与传热过程,文中采用了标准k湍流模型,因此壳程流体需满足k-方程。
  2.2计算模型及边界条件换热器内流体定义为不可压缩的牛顿型流体,鉴于换热器壳程通道结构比较复杂,对计算模型采用混合网格分块进行单元离散;考虑边界层对流动的影响,在换热管壁面附近网格加密,每个模型的网格数都在80万个以上。选用标准k湍流模型并辅以壁面函数法模拟计算换热器壳程湍流流动时的流动和传热情况,采用有限容积方法解控制方程组;速度与压力耦合采用基于同位网格的Simplec算法;对流项采用二阶迎风格式和非耦合稳态隐式格式求解。流体介质为水,物性参数为等效温度下的常量。入口边界为给定入口速度及相应的温度条件,出口边界为给定静压和适当的回流条件,换热管边界条件定义为固定壁温壁面,换热器筒体以及折流板边界条件定义为绝热、无速度滑移壁面,收敛条件定义为残差绝对值小于1.010-5。
  3、数值计算结果分析对相同外形尺寸和截面形状,S/de值在827之间的五种螺旋扭曲扁管换热器模型进行了三维数值模拟(壳程流体雷诺数(Re)在21044104之间)。为便于比较,对与螺旋扭曲扁管换热器模型具有相同外形尺寸、换热管根数,以及相同进口、出口及壁面边界条件的弓形折流板换热器进行了数值模拟。在综合评估换热器的壳程整体性能时,采用单位压力降下的壳程传热系数,即/P作为衡量指标。当/P增大时,说明强化换热取得了积极效果,在满足相同热负荷要求的情况下,换热器尺寸可以减小。
  壳程流体在流道中主要作纵向流动,不存在流动死区,换热面的利用率很高。因螺旋扭曲扁管之间的流道呈螺旋状,流体在其中流动时受离心力的作用而周期性的改变流速和方向,从而加强了流体的径向混合。壳程流体流动存在较大的径向速度,在靠近壳体的区域流体呈有规律的螺旋型流动,在换热管之间区域,由于流体经过相邻管子的接触点时,尾流作用明显,增强了流体自身湍流程度。
  3.1壳程流体Re对流动与传热性能的影响是根据数值计算结果绘制的不同S/de值的螺旋扭曲扁管换热器和弓形折流板换热器壳程传热系数与壳程流体Re的关系曲线。可以看出,随着壳程流体Re的增加,螺旋扭曲扁管换热器和弓形折流板换热器的壳程传热系数都在增大。相同Re条件下,弓形折流板换热器的比螺旋扭曲扁管换热器大。这主要是因为,在弓形折流板换热器中,由于折流板的扰流作用,使得壳程流体作之形流动,流体横向冲刷换热管,并周期性的改变流动方向;而在螺旋扭曲扁管换热器中,壳程流体主要作纵向流动,依靠螺旋扭曲扁管之间形成的螺旋形流道和螺旋扭曲扁管相互间的接触点,使壳程流体在沿螺旋扭曲的换热管外壁纵向流动的同时,产生以旋转和周期性的物流分离与混合为主要特点的扰动。螺旋扭曲扁管的这种对流体的扰动程度与折流板相比要差。因此,在不考虑压力降的情况下,螺旋扭曲扁管换热器的壳程传热效果没有弓形折流板换热器好。
  从中可以看出,两种换热器的壳程压力降P都随着壳程流体Re的增加而增加,相同Re条件下弓形折流板换热器的壳程压力降要比螺旋扭曲扁管换热器大很多。这主要是因为,螺旋扭曲扁管换热器壳程没有任何支撑结构,流体在壳程是顺流流动,壳程压力降很小。
  可以看出,随着壳程流体Re的增大,两种类型的换热器壳程的/P都不断减小,但在低Re的情况下,螺旋扭曲扁管换热器的综合性能较佳。在相同的Re条件下,螺旋扭曲扁管换热器的/P值是弓形折流板换热器的数倍,说明在相同的壳程压力损失条件下,螺旋扭曲扁管换热器较弓形折流板换热器具有大得多的换热系数,其强化传热效果明显。
  3.2螺旋扭曲扁管的S/de值对传热与流动性能的影响螺旋扭曲扁管的S/de值是螺旋扭曲扁管换热器的一个重要几何参数,对螺旋扭曲扁管壳程流体的换热与流动情况有着重要的影响。在不同壳程流体Re数条件下,通过数值计算所得到的螺旋扭曲扁管换热器壳程导热系数。
  在计算中所涉及的壳程流体Re条件下,螺旋扭曲扁管换热器的壳程传热系数和压力降P都随着螺旋扭曲扁管的S/de的增大而减小,但减小的幅度不大。这是因为在数值计算时考虑的是壳程流体旺盛湍流换热情况,螺旋扭曲扁管接触点对壳程流体的扰流作用已不是非常明显了。从可以看出,/P的值随着S/de的增大而减小,说明S/de越小螺旋扭曲扁管换热器壳程的整体性能指标越高,其强化换热效果越好。这是因为当S/de值减小后,在相同管长内,螺旋扭曲扁管之间的接触点增多,流体经过接触点之后形成脱离壁面的尾流,增强了自身的湍流度,破坏了流体在管壁上的热边界层,起到强化传热的效果,相同管长内的接触点越多,强化传热效果越明显。
       4、总结
        (1)螺旋扭曲扁管换热器是一种新型高效管壳式换热器,壳程具有较好的强化传热作用,因壳程无任何支撑挡板,没有流动死区,壳程压力降与弓形折流板换热器相比小得多,壳程单位压力降下的传热系数明显比弓形折流板大,其强化传热优势明显。
  (2)在小Re时,壳程具有更好的强化换热效果。
  (3)螺旋扭曲扁管的几何尺寸对螺旋扭曲扁管换热管壳程传热和流阻特性都有影响,螺旋扭曲扁管S/de值越小,其壳程强化传热效果越好。
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