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1、折流板间距对换热器性能影响的数值研究第27卷第3期2005年5月南京工业大学JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVo1.27No.3Mav2005折流板间距对换热器性能影响的数值研究张少维,周荣兰,桑芝富(1.南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京210009;2.扬子石化检修安装有限责任公司,江苏南京210048)摘要:采用CFD数值模拟方法,研究了简化模型下弓形折流板和螺旋折流板换热器,对应于不同间距/螺距时,流动参量的变化对换热器整体流动与传热性能的影响.结果表明,两种结构对应的壳程压力损失和换热系数均随壳程流量
2、的增加而增大,而螺旋折流板结构单位压降下换热系数大于弓形折流板,并且其性能受折流板螺距变化的影响较小,体现了螺旋折流板结构的优越性.计算结果与现有实验结论吻合较好.关键词:换热器;螺旋折流板;弓形折流板;数值模拟中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号:1671—7643(2005)03-0065一o4管壳式换热器由于其传热效率高,结构简单等特性而成为化工领域目前应用最广泛的一种传热装置.近年来,随着强化传热技术的发展以及各工业领域对节能要求的提高,世界各国纷纷加大了对新型高效换热设备的研究.研究主要围绕提高传热效率和降低压力损失,并保证换热器运行的可靠性
3、等方面进行,先后研制开发了螺旋折流板管壳式换热器¨.,扭曲管管壳式换热器以及多种管内强化传热的高效换热装置J.这些新型高效换热器的研究开发,一方面有效解决了传统弓形折流板管壳式换热器所存在的诸如具有流动死区,壳程压力损失较大,容易结垢等问题,同时也对传统研究方法和设计手段提出了挑战.目前对于弓形折流板管壳式换热器的研究仍然是基于Bell—Delaware法以及Tinker的流路分析法_5J,并通过大量实验测量和工程实际应用数据对其中个别参数加以修正,以期更加接近于实际情况.而对于螺旋折流板管壳式换热器等新型换热设备,由于其几何结构发生变化从而导致管程或壳程流体
4、流动状态发生改变,进而造成整体传热特性和压力分布的改变,使得传统的分析方法不能很好地满足这些换热设备的设计要求.采用计算流体动力学(ComputationalFluidDy-namics.CrD)方法进行换热器的研究最先由Patankar和Spalding等人提出,后经Sha..,Zhang¨,Prithivi-raj],黄兴华¨..等人的发展完善,逐渐形成了比较完整的算法体系,其研究结果已经被用于电厂蒸汽冷凝器,无相变管壳式换热器等过程设备的开发研究,并取得了与试验吻合较好的计算结果.随着计算数学的发展和众多成熟商业软件的开发,以及计算机硬件技术的不断进步,
5、采用试验和数值模拟相结合的研究方法已逐渐成为许多工程研究领域的主流研究方法,在某些方面甚至可以完全取代试验研究.本文采用CFD方法对比研究了相同壳体直径D下,改变弓形折流板间距玩和螺旋折流板螺距日对换热器壳程流动与传热性能的影响.结构参数的变化以无因次参量A表示(弓形折流板结构:A=风/D;螺旋折流板结构:A=HJD).由于不考虑管束流动的细节信息,采用单管模型近似处理管束整体对壳程流动与传热的影响.计算结果以壳程压力损失△P,壳程换热系数表示,并以单位压降下的换热系数△P作为综合衡量标准,评定两种壳程折流板结构布置方式对管壳式换热器壳程流动和传热性能的影响,
6、模拟结果与现有实验研究结果吻合较好.1计算模型1.1几何模型计算几何模型如图1所示,其中弓形折流板结收稿日期:2004一o9—2l作者简介:张少维(1980一),男,陕西杨凌人,硕士生,主要研究方向为高效传热传质设备及CFD应用;桑芝富(联系人),教授,Email:zfsang@njut.edu.cn南京工业大学第27卷构采用75%圆缺窗口;螺旋折流板采用四分之一椭圆结构,螺旋角为口=16..彼此相邻的两块折流板采用交错搭接结构,通过搭接距离的改变从而实现(a)弓形折流板螺旋角不变情况下螺距的改变.结构参数的改变分别对应于A=0.50,A=0.57,A=0.6
7、7以及A=0.8.(b)螺旋折流板图l两种结构的简化几何模型示意图Fig,1Simplifiedgeometrymodelfortwodifferentstructures1.2数值模型及边界条件基于不可压缩的牛顿型流体,在常物性和宏观热能守恒的假设下,换热器管程和壳程流体的流动和热量传递必须满足连续性方程,动量方程以及能量方程J.计算区域采用正交六面体网格离散处理,考虑边界层对流动的影响,以使标准壁面函数法能满足对数率的要求,稳态隐式格式求解,采用标准k-e湍流模型计算湍流参量对流场和温度场的影响;压力和速度参量的解耦采用Simple算法¨¨.流体介质为水,
8、物性参数为等效温度下的常量;给定流体入
