高效管換熱器殼程傳熱強(qiáng)化效果及機(jī)理

吳志偉,王 通,王彥龍,趙克強(qiáng),錢才富

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029;2.山東美陵化工設(shè)備股份有限公司,山東淄博 255000)

0 引言

管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于石化、冶金、輕工、能源等領(lǐng)域[1-2],在換熱設(shè)備中約占70%的市場份額,處于不可替代的主導(dǎo)地位。

管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱方式主要有管程強(qiáng)化傳熱和殼程強(qiáng)化傳熱。其中管程強(qiáng)化傳熱主要是通過改變換熱管的形狀,從而增強(qiáng)壁面處流體的湍動(dòng)程度,如波紋管[3]、螺旋槽管[4]、縮放管[5]、波節(jié)管[6]等。關(guān)于高效管強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究一直是研究熱點(diǎn)。KAREEM等[7]全面綜述了波紋管管內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱性能,包括層流和湍流,結(jié)果表明,波紋處會(huì)產(chǎn)生渦流,這是傳熱增強(qiáng)的主要原因,波紋節(jié)距和高度對(duì)工作流體的流動(dòng)狀態(tài)有顯著影響,此外,由于螺旋波紋的存在,螺旋波紋管的傳熱性能進(jìn)一步提高。CRCOLES等[8]通過數(shù)值模擬方法對(duì)螺旋槽管的波紋形狀(定義波紋形狀系數(shù)CSF)進(jìn)行了深入研究,研究結(jié)果表明,在研究范圍內(nèi)(4

關(guān)于高效管強(qiáng)化傳熱的研究大多集中在管內(nèi)傳熱,很少有針對(duì)高效管換熱器的殼程強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究。本文建立4種管型的高效管換熱器(圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管和螺旋波紋管)殼程流體流動(dòng)和傳熱數(shù)值模擬模型,研究高效管殼程傳熱強(qiáng)化效果和機(jī)理。

1 有限元分析模型

1.1 幾何模型

4種高效管換熱器的幾何模型如圖1所示,具體尺寸參數(shù)見表1,換熱管的排列方式見圖2。

表1 換熱器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 高效管換熱器幾何模型

圖2 換熱管排列方式

文中研究的高效管都是由光滑管(?25 mm×2.5 mm)軋制而成,且具有相同的波紋深度和節(jié)距,其結(jié)構(gòu)尺寸見圖3,布管如圖2所示。

L=18 mm,h=2.5 mm,R1=15 mm,R2=2.5 mm

L=18 mm,h=2.5 mm,R1=5 mm,R2=6 mm

L=18 mm,h=2.5 mm,R1=10 mm,l=7 mm

L=18 mm,h=2.5 mm,α=77°

1.2 控制方程

為簡化數(shù)值模擬,作出以下假設(shè):(1)殼程流體為不可壓縮的牛頓型流體;(2)介質(zhì)常物性穩(wěn)態(tài)流動(dòng),重力的影響忽略不計(jì);(3)換熱管的外表面溫度恒定。對(duì)于穩(wěn)態(tài)條件,需滿足流體動(dòng)力學(xué)的基本控制方程——連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程[12]。

1.3 流動(dòng)和傳熱參數(shù)計(jì)算

雷諾數(shù)Re和普朗特?cái)?shù)Pr:

Re=ρuDe/μ

(1)

Pr=cpμ/ρ

(2)

式中,ρ為流體密度;u為殼程流體流速;De為當(dāng)量直徑;μ為流體黏度;cp為流體比熱容。

當(dāng)換熱管為正方形排列時(shí),De計(jì)算表達(dá)式如下:

(3)

式中,s為換熱管間距;do均取基管外徑。

傳熱計(jì)算理論公式如下:

Q=qmcp(to-ti)

(4)

(5)

(6)

Δt1=tw-ti

(7)

Δt2=tw-to

(8)

Nu=hDe/λ

(9)

式中,qm為質(zhì)量流量;to,ti分別為熱交換器的殼程出口溫度和入口溫度;S為熱交換面積;Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差;tw為換熱管壁面溫度。

1.4 邊界條件和湍流模型

模擬時(shí)采用速度入口,且流體介質(zhì)的入口溫度設(shè)置為295 K。在換熱管的壁面上設(shè)置350 K的恒定溫度。殼程出口設(shè)置為壓力出口,壓力設(shè)置為0。忽略換熱器表面的熱損失,將其設(shè)為絕熱。殼體內(nèi)壁和計(jì)算域內(nèi)的所有固體表面采用非滑移邊界條件。為了簡化模型,換熱器采用1/2模型。數(shù)值模擬中使用的介質(zhì)水的物理參數(shù)如表2所示。

表2 介質(zhì)水的物性參數(shù)

在求解過程中,采用基于壓力的隱式求解器,壓力和速度采用 SIMPLEC 算法耦合,除壓力外的所有變量均采用二階迎風(fēng)格式處理,激活能量方程。收斂準(zhǔn)則的能量殘差曲線標(biāo)準(zhǔn)為10-6,其余變量為10-4。計(jì)算湍流模型采用SSTk-ω。為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性,建立了相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光滑管換熱器模型,并分別將采用SSTk-ω和Realizeblek-ε為湍流模型的換熱器數(shù)值模擬結(jié)果與換熱器殼程努塞爾數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式[12](式(10))計(jì)算對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。在研究范圍內(nèi)采用SSTk-ω計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式更為接近,最大偏差在5.5%,故本文采用SSTk-ω湍流模型。

圖4 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

Nu=0.36Re0.55Pr1/3(μ/μw)0.14

(10)

1.5 網(wǎng)格劃分和無關(guān)性驗(yàn)證

以波紋管換熱器為例,其整體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,如圖5所示,表3示出網(wǎng)格無關(guān)性考核結(jié)果?？梢钥闯?當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從16 623 087增加到27 094 008時(shí),殼程努塞爾數(shù)和壓力降的相對(duì)誤差均在3%以內(nèi),認(rèn)為滿足了網(wǎng)格無關(guān)性的要求。文中其他高效管換熱器采用相同的網(wǎng)格尺寸。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性計(jì)算結(jié)果

圖5 圓弧波紋管換熱器網(wǎng)格模型示意

2 高效管殼程傳熱強(qiáng)化效果

圖6示出各換熱器殼程努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化。可以看出,與光滑管相比,4種高效管的殼程傳熱性能有了明顯提高。雷諾數(shù)在7 392～36 960的范圍內(nèi),圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管、螺旋波紋管的殼程努塞爾數(shù)分別比光滑管提高了11.01%～28.74%,9.55%～25.13%,7.52%～24.75%,26.2%～46.78%。其中強(qiáng)化效果小的對(duì)應(yīng)于較大的雷諾數(shù),例如,對(duì)于圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管換熱器來說,殼程雷諾數(shù)為36 960時(shí),高效管的殼程努塞爾數(shù)僅比光滑管提高約10%。這是由于雷諾數(shù)的提高,光滑管換熱器的殼程流體湍流程度也提高了,使得光滑管和高效管換熱器殼程之間的流動(dòng)狀態(tài)差異變得不顯著,高效管的傳熱強(qiáng)化效果自然也就減小了。

圖6 各換熱器殼程努塞爾數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re

圖7示出各換熱器殼程壓降隨雷諾數(shù)的變化。可以看出,隨著殼程雷諾數(shù)的增加,換熱器殼程壓降迅速增加。整體來看,換熱器管型的不同對(duì)殼程壓降影響不大;而有些意外的是,與光滑管相比,圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管的殼程壓降分別下降了3.42%～7.9%,5.98%～9.14%,8.79%～9.81%,這是由于圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管的管徑周期性收縮,使得殼程流通面積略有增加造成的。對(duì)于螺旋波紋管,殼程流通面積相對(duì)光滑管沒有增加,而螺旋結(jié)構(gòu)加大了管壁附近流體的湍流程度,因此,螺旋波紋管的殼程壓降增加了0.22%～4.98%。

圖7 換熱器殼程壓降ΔP隨雷諾數(shù)Re變化的關(guān)系曲線

Nu/ΔP用于表示換熱器的綜合傳熱性能。圖8示出高效管換熱器殼側(cè)Nu/ΔP與光滑管換熱器管殼側(cè)Nu/ΔP的比值,縱坐標(biāo)值均大于1,這表明在綜合考慮傳熱和流動(dòng)阻力時(shí),圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管、螺旋波紋管的殼程綜合性能均優(yōu)于光滑管換熱器,其中螺旋波紋管的殼程綜合傳熱性能最強(qiáng)。

圖8 高效管與光滑管換熱器殼程N(yùn)u/ΔP之比與Re的關(guān)系

3 換熱器殼程強(qiáng)化機(jī)理

管殼式換熱器的殼程流體在折流板的引導(dǎo)下呈“Z”形流動(dòng),流體流動(dòng)方向和管子軸向之間的夾角不斷變化,若將沿管子和垂直于管子的流動(dòng)分別稱為縱向流和橫向流,則在折流板弓形缺口區(qū)域的管子周圍的流體流動(dòng)主要為縱向流,而在非缺口區(qū)域管子周圍的流體流動(dòng)主要為橫向流,對(duì)于有波紋外形的高效管,對(duì)縱向流和橫向流的傳熱強(qiáng)化效果應(yīng)該有所不同,以下從不同角度進(jìn)行研究,以探討高效管殼程傳熱強(qiáng)化機(jī)理。

3.1 缺口布管對(duì)殼程努賽爾數(shù)的影響

首先考察波紋對(duì)殼程橫流傳熱性能的影響,為此,建立在折流板缺口區(qū)域未布管的光滑管和圓弧波紋管換熱器有限元模型,以排除缺口區(qū)域縱流的傳熱,如圖9所示。此時(shí)換熱器有限元模型除了換熱管數(shù)目不同外,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均與前文保持一致。

圖9 折流板缺口區(qū)域未布管換熱器結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)殼程雷諾數(shù)為11 088時(shí),折流板缺口區(qū)域未布管時(shí)和缺口布管時(shí)換熱器的計(jì)算結(jié)果分析如表4所示。折流板缺口布管時(shí),圓弧波紋管換熱器的殼程努塞爾數(shù)比光滑管管殼式換熱器提高了28.7%,而在折流板缺口區(qū)域未布管的圓弧波紋管和光滑管換熱器殼程努塞爾數(shù)僅相差3.25%。

表4 折流板缺口區(qū)域是否布管對(duì)傳熱性能的影響

為進(jìn)一步證實(shí)高效管在折流板缺口區(qū)域傳熱性能的提高,還模擬了只在缺口區(qū)域布直管的圓弧波紋管換熱器傳熱性能,并和在缺口區(qū)域不布管和布波紋管的換熱器相比較,結(jié)果見表5。

表5 折流板缺口區(qū)域換熱管對(duì)圓弧波紋管換熱器傳熱性能的影響

從表5可以看出,和缺口區(qū)域布波紋管相比,缺口區(qū)域不布管的換熱器殼程N(yùn)u下降了7.27%,而缺口區(qū)域布直管的換熱器殼程N(yùn)u卻降低了25.22%。比較表4和表5可以發(fā)現(xiàn),缺口區(qū)域布直管的波紋管換熱器和光滑管換熱器殼程N(yùn)u很接近,前者殼程N(yùn)u為106.4,而后者殼程N(yùn)u為110.54,這也再次證明了缺口區(qū)域不布管的波紋管換熱器沒有明顯傳熱強(qiáng)化作用。

因此,可以認(rèn)為對(duì)于縱流,波紋結(jié)構(gòu)可以有效提高殼程傳熱性能;而對(duì)于橫流,波紋結(jié)構(gòu)沒有明顯提升殼程傳熱性能。

由同種管型換熱器對(duì)比發(fā)現(xiàn),折流板缺口區(qū)域未布管的波紋管相對(duì)于缺口區(qū)域布管換熱器殼程N(yùn)u有所下降,而光滑管換熱器殼程N(yùn)u卻有所提升。這是由于光滑管管殼式換熱器在非缺口區(qū)域的橫流換熱性能好于折流板缺口部位的縱流換熱性能;而波紋管換熱器則相反,波紋管在缺口區(qū)域縱流傳熱性能好于不在缺口區(qū)域的縱流傳熱性能,這點(diǎn)還可從下文兩折流板中間位置和折流板缺口部位的局部平均傳熱系數(shù)得到佐證。

所以,對(duì)于高效管換熱器,折流板缺口區(qū)域布管可以提升整個(gè)換熱器傳熱性能;而對(duì)于光滑管換熱器,折流板缺口區(qū)域布管則拉低了整個(gè)換熱器傳熱性能。不過應(yīng)該說明的是,折流板缺口區(qū)域是否布置換熱管會(huì)影響傳熱性能,但由于總的換熱面積改變了,對(duì)換熱器傳熱能力的影響應(yīng)該是不一致的。

3.2 非缺口區(qū)域管子局部傳熱系數(shù)分析

為進(jìn)一步考察橫流管束的殼程傳熱性能,提取殼程Re為11 088時(shí)各換熱器在非缺口區(qū)域沿管長的局部傳熱系數(shù)并進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖10。

圖10 折流板非缺口區(qū)域沿管長局部傳熱系數(shù)

從圖10可以看出,由于折流板背風(fēng)側(cè)流動(dòng)死區(qū)的存在,各換熱器殼程流體在折流板迎風(fēng)側(cè)局部傳熱系數(shù)均有所提高,即從左到右,局部傳熱系數(shù)整體有所提高。對(duì)高效管換熱器在圖示范圍沿管長方向的局部傳熱系數(shù)取平均值,結(jié)果見表6。

表6 殼程非缺口區(qū)域沿管長局部傳熱系數(shù)

從表6可以看出,高效管換熱器的局部平均傳熱系數(shù)和光滑管換熱器比較接近,相對(duì)偏差在4%之內(nèi),再次說明由于主要為橫流,在管殼式換熱器非缺口區(qū)域,高效管傳熱性能相比于光滑管并沒有提高。

3.3 缺口區(qū)域管子局部傳熱系數(shù)分析

在管殼式換熱器中,折流板缺口區(qū)域的流體呈縱向流趨勢,流體流動(dòng)狀態(tài)受到管型結(jié)構(gòu)的影響。

在缺口區(qū)域,換熱器殼程流體主要為縱向流,速度矢量圖如圖11所示。可以看出,光滑管換熱器的殼程流體主要為直線順流,而對(duì)高效管換熱器,由于管壁具有波紋結(jié)構(gòu),對(duì)殼程流體流動(dòng)造成較強(qiáng)的擾動(dòng),甚至在波紋波谷處還形成了局部渦流,增強(qiáng)壁面流體的湍流程度。螺旋波紋管管間流體湍流程度最為劇烈,這是因?yàn)槠涔荛g流體是在三維空間周期性旋轉(zhuǎn)的,流體遇到螺旋形的管壁會(huì)產(chǎn)生偏離主流方向的二次流,會(huì)在流道產(chǎn)生大范圍旋流。

圖11 折流板缺口區(qū)域殼程流體速度云圖

圖12示出殼程Re為11 088時(shí),折流板缺口區(qū)域管子沿管長方向的殼程局部傳熱系數(shù)。

圖12 折流板缺口區(qū)域沿管長局部傳熱系數(shù)

由圖12可看出,圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管換熱器的局部換熱系數(shù)隨著波紋波谷波峰的位置而變化,這是由于在波谷附近(即在殼程流域的開闊處)殼程流體湍流程度較高,其附近管壁局部傳熱系數(shù)相對(duì)波峰處較大,這與管內(nèi)流體在波峰處局部傳熱系數(shù)最大有著相同的表現(xiàn)[13-18]。光滑管和螺旋波紋管在此處的局部傳熱系數(shù)波動(dòng)較小,這是因?yàn)閮煞N管橫截面積保持不變,沿管長方向,管間殼程流體流動(dòng)速度變化不大。

同樣,計(jì)算折流板缺口區(qū)域殼程流體局部位置的傳熱系數(shù),如表7所示?？梢钥闯?圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管、螺旋波紋管的局部傳熱系數(shù)均比光滑管有明顯提高,螺旋波紋管提高尤為顯著。

表7 殼程折流板缺口區(qū)域沿管長局部傳熱系數(shù)

綜上所述,從殼程流體局部區(qū)域的傳熱系數(shù)可以看出,高效管在以縱流為主折流板缺口區(qū)域的傳熱性能高于在以橫流為主的非折流板缺口區(qū)域的傳熱性能,而這也是高效管換熱器殼程傳熱性能要高于光滑管換熱器的主要原因。

4 結(jié)論

(1)在所研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi),高效管換熱器殼程換熱性能均比傳統(tǒng)光滑管換熱器有明顯提升,圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管、螺旋波紋管換熱器的殼程努塞爾數(shù)相比傳統(tǒng)管殼式換熱器分別提高了11.01%～28.74%,9.55%～25.13%,7.52%～24.75%,26.2%～46.72%。

(2)與光滑管相比,螺旋波紋管的殼程壓降增加了0.22%～4.98%,但圓弧波紋管、錐紋管、波節(jié)管的殼程壓力降分別降低了3.42%～7.9%,5.98%～9.14%,8.79%～9.81%。高效管換熱器殼程綜合傳熱性能均比光滑管有所提高,其中螺旋波紋管換熱器的殼程綜合傳熱性能最強(qiáng)。

(3)對(duì)于高效管換熱器,折流板缺口區(qū)域布管會(huì)提升整個(gè)換熱器的傳熱性能,而對(duì)于光滑管換熱器,折流板缺口區(qū)域布管會(huì)降低整個(gè)換熱器的傳熱性能。

(4)折流板缺口區(qū)域高效管的殼程傳熱性能高于非缺口區(qū)域高效管,而折流板缺口區(qū)域光滑的管殼程傳熱性能低于非缺口區(qū)域光滑管。

(5)對(duì)于文中研究的換熱器,折流板缺口區(qū)域高效管的殼程局部傳熱系數(shù)明顯高于光滑管,高出值在23%～51%之間。而折流板非缺口區(qū)域高效管的殼程局部傳熱系數(shù)和光滑管接近,相對(duì)差值在4%以內(nèi)。

(6)高效管在以縱流為主的折流板缺口區(qū)域的傳熱性能高于在以橫流為主的非折流板缺口區(qū)域的傳熱性能,這是高效管換熱器殼程傳熱性能要高于光滑管換熱器的主要原因。