卡麗娜(Kalina)循環(huán)系統(tǒng)蒸發(fā)器入口結(jié)構(gòu)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析*

張?jiān)?，李治?guó)，張 濤

(蘭州蘭石換熱設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

板式熱交換器作為一種高效節(jié)能型的熱交換設(shè)備，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相較其它類型的熱交換器具有良好的傳熱性能和流動(dòng)阻力性能，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。板殼式換熱器是一種全焊接板式熱交換器是集板式換熱器和管殼式換熱器優(yōu)點(diǎn)于一身的新型換熱設(shè)備,與管殼式換熱器相比,它具有換熱效率高,端部溫差小,壓降低,占地面積小以及節(jié)約工程費(fèi)用、設(shè)備安裝費(fèi)用和裝置操作費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。

卡麗娜(Kalina)循環(huán)作為一種高效、經(jīng)濟(jì)和低污染的動(dòng)力轉(zhuǎn)換方式已經(jīng)為越來越多的人所重視[5]。此技術(shù)中關(guān)鍵換熱設(shè)備蒸發(fā)器的作用就是將冷凝下來的氨水溶液再次加熱蒸發(fā)生成氨蒸汽，去推動(dòng)汽輪機(jī)做功。蒸發(fā)器運(yùn)行的效果直接到影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

目前對(duì)板式熱交換器的研究主要在板型、波紋結(jié)構(gòu)、流道內(nèi)流體分配等方面對(duì)熱交換器性能的影響[6-16]。為了深入研究卡麗娜(Kalina)循環(huán)系統(tǒng)中板殼式蒸發(fā)器的氨水側(cè)入口結(jié)構(gòu)形式對(duì)板式熱交換器性能的影響，文中通過固定進(jìn)口流量，調(diào)整氨水側(cè)入口結(jié)構(gòu)形式，對(duì)比分析了12個(gè)間距30°均布孔、6個(gè)間距30°孔、6個(gè)間距25.7°孔三種不同氨水側(cè)入口結(jié)構(gòu)形式下對(duì)板殼式蒸發(fā)器氨水側(cè)流場(chǎng)分布情況的影響。筆者采用Fluent數(shù)值模擬的方法，對(duì)氨水側(cè)進(jìn)口結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整、對(duì)比、分析，進(jìn)而確氨水側(cè)入口的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，為卡麗娜(Kalina)循環(huán)系統(tǒng)中板殼式蒸發(fā)器的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

在SolidWorks軟件中進(jìn)行3D三維幾何模型的建立?？紤]到分析模型的網(wǎng)格劃分情況，將模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。根據(jù)開孔形式和適當(dāng)優(yōu)化，簡(jiǎn)化完成的分析模型共3個(gè)，如圖1所示。

圖1 模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

板殼式蒸發(fā)器的氨水側(cè)進(jìn)口流體分配問題主要涉及不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)力學(xué)基本方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、和能量方程。相關(guān)的控制方程如下。

連續(xù)性方程：

(1)

ρ(?·ν)=0 或 ?·ν=0

(2)

即：

(3)

i方向直角坐標(biāo)系中的動(dòng)量守恒方程：

(4)

能量守恒方程：

(5)

RNG k-ε模型：

ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中： U、V、W為流動(dòng)速度分量；ρ為流體密度；Р為壓力；V為運(yùn)動(dòng)粘度；Ui為i方向的速度分量；a為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。Gk為由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Αk、αε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；C1ε、C2ε、C3ε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3 邊界條件與網(wǎng)格劃分

1.3.1 邊界條件

載荷及邊界條件見表1 ，進(jìn)出口采用周期性邊界條件，入口設(shè)置為質(zhì)量流量、壓力入口。出口設(shè)置為質(zhì)量流量、壓力出口。兩側(cè)邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。

表1 載荷及邊界條件

1.3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖1建立模型，導(dǎo)入hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全部模型采用六面體/四面體混合網(wǎng)格，并對(duì)小孔處進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)秀。全模型共有105萬個(gè)控制體，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 氨水管圓周方向開12個(gè)孔

根據(jù)圖1中第一個(gè)模型，圓周方向每30°開一個(gè)孔，共12個(gè)孔，劃分網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算后所得計(jì)算結(jié)果如圖3、4所示。

從流線圖3中可以看出氨水從管孔噴出后，均勻的分布于罐體四周，但是出口的流線疏密程度不均勻，所以該機(jī)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 流線圖 圖4 矢量圖

從左右兩側(cè)出口流速圖5中也可以看出左右兩側(cè)的流量不均勻，所以需要進(jìn)一步調(diào)整。

圖5 左右兩側(cè)出口流速圖

2.2 氨水管圓周出口方向開6個(gè)孔夾角30°

根據(jù)計(jì)算沿圓管及進(jìn)出口兩側(cè)各開3個(gè)孔，孔的測(cè)算依據(jù)由圖6所示，如果能夠使氨水噴出的寬度與出口的寬度相當(dāng)，那么至少得滿足內(nèi)圓上開孔邊緣與外圓的連線是a線，那么初步計(jì)算出開孔的中心線為b夾角為30°。所以根據(jù)圖1第二個(gè)模型劃分網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算。流線圖及矢量圖如圖7、8所示。

圖6 布孔計(jì)算示意圖

圖7 流線 圖8 矢量圖

從圖9 左右兩側(cè)出口流速圖可以看出，左右兩側(cè)出口流速都比較均勻，流線分布也比周向開12個(gè)孔均勻。

圖9 左右兩側(cè)出口流速圖

2.3 氨水管圓周出口方向開6個(gè)孔夾角26°

為了更進(jìn)一步研究夾角小于30°的時(shí)候是否均勻，根據(jù)圖6的計(jì)算方法，減小孔間夾角為26°進(jìn)行計(jì)算，模態(tài)如圖1中3氨水管圓周出口方向開6個(gè)間距25.7°孔圖。如圖10～13所示。

圖10 流線圖 圖11 矢量圖

通過計(jì)算可以看出當(dāng)開孔的夾角為26°時(shí)，由于開孔間距減小造成相鄰兩個(gè)孔中的液體相互影響，從而造成了底部湍流比較大，而出口不均勻的情況。

圖12 截面水體積分?jǐn)?shù)

圖13 流線左右兩側(cè)流速

3 結(jié) 論

通過固定進(jìn)口流量，調(diào)整板殼式蒸發(fā)器氨水側(cè)入口結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整、對(duì)比、分析了12個(gè)間距30°均布孔、6個(gè)間距30°孔、6個(gè)間距25.7°孔三種不同氨水側(cè)入口結(jié)構(gòu)形式下板殼式蒸發(fā)器入口的流場(chǎng)分布情況，進(jìn)而得出以下結(jié)果。

(1) 板殼式蒸發(fā)器的氨水側(cè)入口結(jié)構(gòu)形式對(duì)設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)分布情況的影響較大。

(2) 通過計(jì)算可知在氨水進(jìn)入管四周均勻開12個(gè)孔是不合理的，主要是受到出口開口方向的限制和中間的管道影響。

(3) 合理的開孔方向應(yīng)該是如圖6所示，小孔的外切線的延長(zhǎng)線與大圓的交點(diǎn)等于或者略小于開孔尺寸，經(jīng)過計(jì)算得到小孔的開孔角度為30°即氨水管圓周出口方向開6個(gè)孔夾角30°。計(jì)算結(jié)果可以看出兩個(gè)出口及設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)分布比較均勻。

(4) 為了更進(jìn)一步證實(shí)開孔角度為30°的合理性，選取了26°的開孔角度即氨水管圓周出口方向開6個(gè)孔夾角26°進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以看出兩個(gè)出口及設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)分布不均勻，結(jié)構(gòu)不合理。