冷箱U型和Z型集管流體分布特性數(shù)值模擬

張淑文 王偉平 楊 健 鄭津洋 詹學(xué)華

(1杭州杭氧股份有限公司 杭州 310004)

(2浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 杭州 310027)

冷箱U型和Z型集管流體分布特性數(shù)值模擬

張淑文1王偉平2楊 健2鄭津洋2詹學(xué)華1

(1杭州杭氧股份有限公司 杭州 310004)

(2浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所 杭州 310027)

針對(duì)大型冷箱的U型和Z型集管內(nèi)流體分布特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。依據(jù)集管內(nèi)壓力分布規(guī)律性，探討了不同雷諾數(shù)Re與結(jié)構(gòu)因素對(duì)其內(nèi)流體分布的實(shí)際影響;采用多孔介質(zhì)模型分析給出了板翅式換熱器對(duì)集管內(nèi)流體分布的影響作用;最后對(duì)大型冷箱集管布置提出了流體均配優(yōu)化方案。研究表明，U型集管內(nèi)流體分配優(yōu)于Z型集管;隨著Re增加，U型集管流體分布趨于均勻而Z型集管變得不均勻;隨著支管阻力增加所致的集管壓降增加能使集管內(nèi)流體分布趨于均勻;支管長(zhǎng)度增加或支管管徑減小，可使集管內(nèi)流體分布趨于均勻，但會(huì)導(dǎo)致較大額外壓降。依據(jù)以上結(jié)論提出的大型冷箱集管優(yōu)化方案可在較大改善實(shí)際流體分布同時(shí)有效降低集管壓降。

冷箱 U型和Z型集管 流體分配 CFD數(shù)值模擬

1 引言

冷箱是一種能在高效運(yùn)行下進(jìn)行絕熱保冷的低溫?fù)Q熱裝置，一般由板翅式換熱器、氣液分離器以及復(fù)雜的連接管路等組成，廣泛應(yīng)用于大型空分、天然氣液化以及乙烯生產(chǎn)等領(lǐng)域。冷箱內(nèi)多臺(tái)串、并聯(lián)板翅式換熱器之間的連接管路通常設(shè)置為一主管和多個(gè)支管相連的Z型或U型集管結(jié)構(gòu)。該類結(jié)構(gòu)若設(shè)計(jì)不合理對(duì)其內(nèi)的流體分布會(huì)產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致進(jìn)入各換熱器內(nèi)的流體分配不均，從而影響冷箱的整體工作性能。

由于U型與Z型集管應(yīng)用于不同工業(yè)場(chǎng)合，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)U型與Z型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究。理論方面，趙晴川等建立了鍋爐過熱器及再熱器U型和Z型聯(lián)箱的流量分配離散化計(jì)算模型［1］。在不同分支管截面積下，王宏光對(duì)U型集管的兩種理論算法進(jìn)行了對(duì)比研究［2］。Solovitz等及胡明輔等則提出了可實(shí)現(xiàn)Z型集管流體均配的理論分析模型［3-4］。在實(shí)驗(yàn)與模擬方面，針對(duì) Z型集管結(jié)構(gòu)，Tong等提出了多種促進(jìn)集管內(nèi)流體分配的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并對(duì)各方案的優(yōu)劣性進(jìn)行了CFD驗(yàn)證比較［5］。Shi等研究了不同進(jìn)口形狀對(duì)U型集管內(nèi)流體分布的影響［6］。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與CFD技術(shù)，Wang分析了不同結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)U型和Z型集管各支管流量分配的影響［7］。韋曉麗等則通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定計(jì)算了U型和Z型集管內(nèi)的靜壓分布和速度分布，并將實(shí)驗(yàn)值與理論解進(jìn)行了對(duì)比［8］。

從已有文獻(xiàn)獲知，雖然眾多研究給出了各種用于改善Z型和U型集管結(jié)構(gòu)內(nèi)各支管流體分布的措施，但其提出的方案往往同時(shí)導(dǎo)致壓降提高，增加了設(shè)備運(yùn)行成本和能耗等，不利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。本文對(duì)大型冷箱內(nèi)Z型和U型集管的流動(dòng)分配特性進(jìn)行了CFD仿真模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給出并探討了不同因素對(duì)其內(nèi)流體分布的影響;并在此基礎(chǔ)上，提出了一種可實(shí)現(xiàn)冷箱U型和Z型集管均配，且不致產(chǎn)生較大壓降引起額外功耗和運(yùn)行成本的新結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。研究方法和成果可供大型冷箱系統(tǒng)及其它類似的大型制冷系統(tǒng)(如多臺(tái)制冷壓縮機(jī)構(gòu)成的大型制冷網(wǎng)絡(luò))的配管設(shè)計(jì)進(jìn)行參考。

2 物理模型

采用的U型和Z型集管的物理模型如圖1所示，主管包括分流主管和匯集主管，直徑為35 mm。共4個(gè)支管，各支管直徑為15 mm，相互間距120 mm，具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。按出口方向不同，分為U型集管(出口1)與Z型集管(出口2)。

圖1 U型和Z型集管物理模型Fig.1 Models of U type and Z type manifold

3 數(shù)值模型

采用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行離散建模和數(shù)值模擬。介質(zhì)為空氣，邊界條件選取質(zhì)量流量進(jìn)口和壓力出口邊界。流場(chǎng)數(shù)值解法采用SIMPLEC算法，為確保計(jì)算準(zhǔn)確性，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散處理。湍流模型選取K-ε模型，過渡模型選用SST過渡模型。壁面處采用無(wú)滑移邊界條件，近壁處選取標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件。當(dāng)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程中變量殘差在10-5以下，認(rèn)為收斂。采用分區(qū)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，為確保網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。為便于模擬且使模擬接近于實(shí)際狀態(tài)，建立模型時(shí)作了如下簡(jiǎn)化假設(shè):

(1)空氣介質(zhì)為各向同性且連續(xù);

(2)介質(zhì)流動(dòng)為定常流動(dòng)，模型采用穩(wěn)態(tài)模擬;

(3)模擬工況為常溫常壓，且不考慮傳熱的影響，集管內(nèi)介質(zhì)溫度和壓力變化較小，介質(zhì)物性參數(shù)(如密度、粘度等)為恒定值;

(4)采用實(shí)際尺寸建立模型，且模型壁面呈理想狀態(tài)，即不存在毛刺和黏附物等影響介質(zhì)流動(dòng)的因素;

由于模型不考慮傳熱的影響，介質(zhì)在管道中的流動(dòng)由質(zhì)量守恒方程以及動(dòng)量守恒方程描述。其中:

質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

式中:ρ為密度，μ為動(dòng)力粘度，p為壓力，u，v，w為速度矢量U在x，y，z方向上的分量，Sw，Su，Sv則為動(dòng)量守恒方程的源項(xiàng)。

4 結(jié)果與討論

為便于表述流量分配情況，定義如下無(wú)量綱偏差因子，即支管流量偏差系數(shù)δ以及整體流量標(biāo)準(zhǔn)偏差因子STD:

式中:δ(i)為第i個(gè)支管的流量偏差因子;Q(i)為第i個(gè)支管的流量，kg/s;Qavg(i)為各支管平均流量值，kg/s;n為支管數(shù)目。

4.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖2為冷箱U型和Z型集管流體分配實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖，主要由螺桿式空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、集管試件、調(diào)節(jié)閥等實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及氣體渦街流量計(jì)、壓力傳感器等測(cè)量?jī)x器構(gòu)成。其中，空氣由空壓機(jī)輸出，集管試件中各支管空氣流量通過氣體渦街流量計(jì)測(cè)量，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸至工控機(jī)進(jìn)行顯示存儲(chǔ)。圖3給出了U型與Z型集管在同一雷諾數(shù)情況下(Re=16 000)各支管流量分配情況的實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比結(jié)果。由圖可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了上述CFD方法的可行性。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

圖3 CFD模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(Re=16 000)Fig.3 Comparison between CFD and experiment result(Re=16 000)

4.2 壓力分布特性及雷諾數(shù)影響

圖4給出了U型和Z型集管主管的壓力分布情況。由圖中可知，針對(duì)Z型管，沿分流主管流動(dòng)方向，在支管與主管交接位置，由于支管的分流作用，壓力會(huì)出現(xiàn)局部上升，而沿匯集主管流動(dòng)方向，由于匯流作用，壓力值在支管與主管交界處會(huì)出現(xiàn)局部減小，由于分流主管與匯集主管流體流動(dòng)方向相同，可知在支管兩端壓差作用下，沿分流主管流體流動(dòng)方向，各支管流量依次增加。針對(duì)U型結(jié)構(gòu)，與Z型結(jié)構(gòu)類似，沿分流主管流體流動(dòng)方向，支管與主管交界處壓力依次增加，沿匯集主管流體流動(dòng)方向，支管與匯集主管交界處壓力值逐漸減小，但由于進(jìn)出口主管流體流動(dòng)方向相反，因此，各支管兩端壓差相差很小，因此，與Z型結(jié)構(gòu)相比，其支管流量分配更為均勻。

圖4 U型與Z型集管壓力分布(Re=21 000)Fig.4 Pressure distribution of U type and Z type manifold(Re=21 000)

圖5給出了雷諾數(shù)(Re)對(duì)U型和Z型集管內(nèi)流體分配的影響。由圖中可知，隨著Re增加，U型集管流體分布趨于均勻，而Z型集管則趨于不均勻。進(jìn)一步細(xì)化研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于低雷諾數(shù)時(shí)，雷諾數(shù)對(duì)模型內(nèi)流體分布影響較顯著，而處于高雷諾數(shù)時(shí)，雷諾數(shù)對(duì)模型內(nèi)流體分布影響則不明顯，即雷諾數(shù)對(duì)模型內(nèi)流體分布的影響程度隨Re值增加而趨于減弱。

圖5 雷諾數(shù)對(duì)冷箱集管流量分布的影響Fig.5 Effect of Re on flow distributionin manifold of cold box

4.3 基于多孔介質(zhì)的系統(tǒng)流量分配模擬

實(shí)際冷箱系統(tǒng)中，U型和Z型集管各支管與多臺(tái)板翅式換熱器相連，各板翅式換熱器呈并聯(lián)布置，如圖6所示。由于實(shí)際冷箱系統(tǒng)中，集管內(nèi)壓降主要為流體流經(jīng)板翅式換熱器后引起的壓降，因此，各支管內(nèi)流體分配情況主要取決于各板翅式換熱器的壓降分布。由于板翅式換熱器通道內(nèi)實(shí)際含有大量翅片，采用實(shí)體尺寸建模因網(wǎng)格數(shù)量巨大而變得不可行。因?yàn)橹饕芯繅航狄鸬淖枇Φ纫蛩?，參考Patankar和Spalding提出的多孔介質(zhì)模型［9］，可將板翅式換熱器當(dāng)作多孔介質(zhì)來(lái)近似處理，這樣，只需通過設(shè)定分布阻力系數(shù)可以表征換熱器壓降對(duì)集管流體分配的影響。表1給出了不同阻力系數(shù)下，Z型和U型集管壓降及流量分配情況。由表可知，隨著阻力系數(shù)的增加，集管壓降增加，流量分布趨于均勻。

圖6 基于多孔介質(zhì)的集管模型Fig.6 Manifold model based on porous media

表1 不同阻力系數(shù)與冷箱集管壓降及STD的關(guān)系Table 1 Relationship among resistance coefficient，pressure drop and STD of manifold in cold box

4.4 流體均配的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡效應(yīng)

圖7和圖8給出了不同支管長(zhǎng)度對(duì)U型和Z型集管內(nèi)各支管流體分布及流阻的影響。由圖中可知，在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變情況下，支管長(zhǎng)度的增加，能使集管結(jié)構(gòu)內(nèi)流體分布趨于均勻但伴隨著壓降增加。相關(guān)理論分析表明，隨著支管長(zhǎng)度增加，各支管因沿程阻力增大而導(dǎo)致壓損增加，原先流量較大的支管，其壓損增加量相對(duì)更大，而流量較小的支管對(duì)應(yīng)的壓損增加量則相對(duì)較小，該壓損變化將促使流體自動(dòng)進(jìn)行重新分配，即原先流量較大的支管，其流量因壓損增加量較大而變小，而原先流量較小的支管，其流量因壓損增加量較小而增大，從而導(dǎo)致流體再分布，使得不均衡性趨于改善，此即可視為系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整的動(dòng)態(tài)平衡效應(yīng)。

圖7 支管長(zhǎng)度對(duì)冷箱集管流體分布的影響Fig.7 Effect of branch tube length on flow distribution in manifold of cold box

圖8 支管長(zhǎng)度對(duì)冷箱集管壓降的影響Fig.8 Effect of branch tube length on pressure drop in manifold of cold box

同理，利用上述動(dòng)態(tài)平衡效應(yīng)，當(dāng)支管截面積減少時(shí)，因支管與主管連接處局部阻力而導(dǎo)致壓損增加，原先流量較大的支管，其壓損增加量相對(duì)較大，而流量較小的支管，其壓損增加量則較小，該壓損變化同樣可促使流體在各支管間的分布趨于均勻。圖9和圖10給出了不同支管管徑對(duì)Z型和U型集管內(nèi)流體分布及流阻的影響，由圖中可知，隨著支管管徑的減小，各支管流體分布趨于均勻，但壓降上升非常明顯。

圖9 支管直徑對(duì)冷箱集管流體分布的影響Fig.9 Effect of branch tube diameter on flow distribution in manifold of cold box

圖10 支管直徑對(duì)冷箱集管壓降的影響Fig.10 Effect of branch tube diameter on pressure drop in manifold of cold box

進(jìn)一步分析可推斷，若使原先流量較大管路的出口壓損增大，同時(shí)減小原先流量較小管路的壓損，利用上述基于動(dòng)態(tài)平衡效應(yīng)的流體均配，可使總體管路內(nèi)流體分布更趨均勻。為此，可采用如下公式來(lái)衡量

其中:d’為改進(jìn)后的集管支管管徑。

圖11分別給出了支管管徑修正前后U型和Z型集管內(nèi)流體分配及壓降的對(duì)比情況。由圖中可知，經(jīng)修正后，冷箱集管內(nèi)流體分配能得到較大改善，且壓降可以控制較低。當(dāng)Re=15 000時(shí)，Z型和U型集管對(duì)應(yīng)的STD分別下降了67.39%和49.54%，壓降也同時(shí)下降了18.00%和15.63%。當(dāng)Re=8 000時(shí)，Z型和U型集管對(duì)應(yīng)的STD分別下降了80.78%和46.61%，壓降則同時(shí)下降了13.63%和12.83%。

5 總結(jié)

針對(duì)大型冷箱的U型和Z型集管內(nèi)流體分布特性，系統(tǒng)地進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了不同因素對(duì)其內(nèi)流體分布的影響，獲得了相應(yīng)工況下冷箱集管內(nèi)流體的分布特性和規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，提出了利用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡效應(yīng)的具體改進(jìn)措施，獲得的主要結(jié)論為:

(1)冷箱內(nèi)U型集管的流體均配要優(yōu)于Z型集管;

(2)隨著Re增加，U型集管流體分配趨于均勻，而Z型集管內(nèi)流體分配趨于更不均勻，且隨著Re的增加，Re對(duì)集管內(nèi)流體分配的影響作用趨于削弱;

(3)采用多孔介質(zhì)模型能有效表征板翅式換熱器對(duì)冷箱集管流體分布的實(shí)際作用。由模擬可知，隨著流經(jīng)板翅式換熱器而導(dǎo)致的壓降增加，相應(yīng)的集管內(nèi)流體分布能趨于均勻;

(4)隨著支管長(zhǎng)度增加或支管管徑減少，冷箱集管內(nèi)流體分布趨于均勻，但會(huì)產(chǎn)生較大額外壓降，導(dǎo)致能耗和運(yùn)行成本增加。為此，自主提出了新的流體均配優(yōu)化方法，經(jīng)模擬驗(yàn)證表明，其能在明顯改善流體分布的同時(shí)而有效減小壓降。

圖11 修正后支管管徑對(duì)冷箱集管流體分布和壓力分布的影響Fig.11 Effect of modified branch tube diameter on flow distribution and pressure drop in manifold of cold box

1 趙晴川，馬東森.并聯(lián)管組流量分配的離散型算法及其應(yīng)用［J］.鍋爐技術(shù)，2010，41(2):18-22.

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9 Patankar S V，Spalding D B.Heat exchanger design theory source book［M］.New York:McGRAW-HillBook Company，1974.

Numerical investigation on flow distribution characteristics of U type and Z type manifold of cold box

Zhang Shuwen1Wang Weiping2Yang Jian2Zheng Jinyang2Zhan Xuehua1

(1Hangzhou Hangyang Co.Ltd.，Hangzhou 310004，China)
(2Institute of Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Numerical simulation was conducted for obtaining flow distribution characteristics of U type and Z type manifold structures in the cold box，Reynolds number and the geometric factors were examined based on the different pressure distribution characteristics of the manifold.A porous media model was presented for analyzing the influence of plate-fin heat exchanger for the flow distribution.Finally，an optimized scheme for improving the flow uniformity was proposed.The results show that the flow distribution of the U type manifold is better than that of the Z type.With the Reynolds number being increased，the flow distribution of the U type manifold is being improved，while that of Z type is becoming deteriorated.The flow imbalance can be improved with increasing the pressure drop by the flow resistance.Increasing the length of the branch tubes or reducing the cross-sectional area of the branch tubes，the flow distribution of U type and Z type manifold were both improved but more extra-cost caused by large pressure drop.Here，a new optimized strategy is proposed for greatly helping to achieve the uniform flow distribution of manifold in the cold box with the pressure drop obviously reduced.

cold box;U type and Z type manifold;flow distribution;CFD simulation

TB657、TQ022.1

A

1000-6516(2012)06-0022-07

2012-09-21;

2012-11-06

浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目(2010C11020)。

張淑文，女，44歲，高級(jí)工程師。