列叉排管束的流动传热特性研究

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：123628列叉排管束的流动传热特性研究基金项目：国家重点基础研究发展项目（G2011CB710702）和自然科学重点基金项目（51136004）资助金宇，宋晨希，喻志强，唐桂华，陶文铨（西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室，西安710049）（Tel：029-82669106，Email:wqtao@mail.xjtu.edu.cn）摘要：本文采用商业软件Fluent6.3.26，对本文提出的一种新型管束排列方式—列叉排管束的传热流动特性进行研究。常规的叉排是行叉排，即流动方向偶数行的管子相对于奇数行的

2、管子岔开半个横向节距，而列叉排是每相邻两列换热管沿主流方向岔开半个纵向间距。研究了管束排列方式、横向管间距和纵向管间距及列偏移量的影响规律。模拟发现：列叉排管束换热器的综合性能优于顺排和传统的行叉排管束换热器，且当列偏移量为纵向管间距的一半时，列叉排管束的换热综合性能最好。关键词：列叉排管束；管间距；综合性能；数值模拟；工业余热利用0前言能源危机对世界的经济发展和科学研究造成了巨大的冲击，迫使人们尽力减少石油与其他二次能源的消耗，这在客观上极大地促进了强化传热技术的研究。换热器是冷热流体交换热量的主要装置，是工业传热过程中必不可少的设备，广泛应用于各工业部门。为了提高换热器

3、的传热效果必须对传热阻力较大一侧的流体采用强化传热的技术，由于空气侧的热阻常常是换热器的主要热阻，因此人们广泛采用翅片来强化气体侧的传热性能。翅片管的传热与阻力特性吸引了国内外众多学者进行深入研究，包括对翅片管的结构参数进行的实验和模拟研究。李会珍，康海军等[1-4]实验研究了翅片间距和管排数对平直翅片管等四种翅片管换热器的换热和阻力特性的影响。Wang等人[5-10]对波纹翅片管等多种翅片管的换热和流动阻力特性进行了大量的实验研究。Lozza和Merlo[11]对平直翅片、波纹翅片和百叶窗形翅片的换热能力进行了实验研究。Mon和Gross[12]通过数值模拟对翅片间距对顺

4、排和叉排螺旋翅片管换热器的传热阻力特性的影响进行研究。李志敏等[13]实验研究了管间距对叉排螺旋翅片管管束的影响。王秋红等[14]利用FLUENT软件对气流横向冲刷叉排翅片管束进行模拟，研究管间距对换热器流动换热特性的影响。在工业余热的利用中，换热管的翅片侧工作环境常含有大量的灰尘、纤维等杂质时，虽然错列管束与顺列管束相比，换热效果要好，但错列管束压力损失相对较大，而且在运行中几乎全部飞灰颗粒等杂质都会与之发生碰撞并造成磨损，使其受磨损程度比顺列管束要严重，因此目前在含灰粒等杂质较多的环境中工作时，翅片管已有向顺列布置形式发展的趋势。但是目前这种顺列（顺排)布置方式依然存在

5、积灰、压力损失大等弊病：沿流动方向流动截面积的剧烈变化导致较显著的压力损失，在每排管子后较大的尾涡区导致积灰程度严重。为了开展余热的高效利用研究，需要寻找适合于含飞灰气体余热回收的经济有效的管束排列方式，本文提出一种列叉排排列方式，即相邻两列换热管沿主流方向有半个纵向间距的错位。本文主要研究管束排列方式的影响，因此选用最简单的光管换热器作为研究对象。在本文中，采用Fluent软件对光管换热器进行数值模拟研究，分析了管束排列方式、横向管间距和纵向管间距和列偏移量对换热器的传热和阻力特性的影响。0物理模型图1为具有四排光管的三种管束排列的结构简图（结构尺寸见表1）。其中图1(a

6、)为顺排排列，图1(b)为行叉排排列，图1(c)为列叉排排列。列叉排虽然在形式上似乎与行叉排类似，实际上存在本质的差别。在横向间距S1及纵向间距S2方面，传统的行叉排与新型列叉排有以下区别：传统行叉排：S2必须大于等于D；新型列叉排：S2可以小于等于D；传统行叉排：S1必须大于等于D；新型列叉排：S1必须大于等于2D。D-光管直径；S1-管束横向节距；S2-管束纵向节距；d1－横向偏移量；d2－纵向偏移量图1光管换热器结构表1光管换热器的结构尺寸mmDS1S2S1NS2Nd1d242601201206030601数学模型2.1控制方程假设过程是稳态的、气体物性为常数。控制方

7、程包括三维、稳态、常物性的连续性方程、动量方程和能量方程。换热管表面设为恒定温度，采用SIMPLE算法解决速度和压力耦合问题。控制方程已在诸多文献中描述，此处省略。2.2边界条件对于顺排管束由图1可见只要取出一排来研究即可，图２为纵向四排顺排光管的数值模型。计算中为了保证入口处的流速均匀，把计算区域向上游延长５倍管径。为了保证出口没有回流，把计算区域向下游延长10倍管径。入口边界条件为速度入口，温度均匀分布，出口边界条件为压力出口。模型垂直于纸面方向的前后面采用对称边界条件，以模拟单根管子在长度方向上很长的情形。上