异径布管夹持支撑结构换热器壳侧场协同分析

来源：发布时间：2014-07-26 12:22:35点击率：

　　针对折流杆结构换热器只有在较高壳侧流速时才能达到较高传热效率、布管不紧凑、不能很好抵抗变化工况等缺点，提出以大小两种规格换热管和夹持支撑结构代替传统的折流杆支承元件，达到提高壳侧传热系数，增加换热面积。利用CFD软件建立单元流道，对壳侧流场和传热场进行了三维数值模拟，提出了复杂结构的纵流换热器壳侧速度-温度梯度场矢量夹角的计算方法，得到了壳侧速度场和温度梯度场的场协同角的定量关联式，证实了新结构具有更好的场协同关系。

　　关键词：换热器;支撑结构;协同;强化传热

　　中图分类号：KT124文献标识码：A

　　1.前言

　　纵流换热器作为一种广泛应用的换热器。由于流体在壳体中呈纵向流，其壳程的压力降比折流板低，综合性能指标比折流板高等优点，该换热器具有良好的发展前景。现有的杆栅支承折流杆换热器也存在一些不足之处，主要表现在以下几个方面 [1,2] ：①只有在高雷诺数时才能获得高效率，在壳程低雷诺数下传热效率较低，有时甚至低于折流板换热器;②纵流壳程换热器的流量波动较大，尤其是流量突降情况下管内的流量不足，导致传热系数大大降低;③为了方便布置折流杆，一般折流杆换热器都采用正方形或者大间距三角形布管，这种结构会导致换热器管程布管疏松，换热器外径增大，壳程流速降低，不利于提高壳侧传热系数。

　　本文针对前述换热器的不足，以提高壳侧传热系数，增加换热面积为出发点，提出了新型异径布管夹持结构换热器[ 3]。

　　利用单元流道进行了壳侧流场和传热场的三维数值模拟，并应用场协同原理对壳侧的场协同状况进行了分析。将场协同原理应用到新型夹持结构的性能评价之中，对具有复杂结构的纵流换热器壳程速度-温度梯度场矢量夹角提出了计算方法。

　　2.基本模型和场协同方法

　　2.1异径布管夹持结构换热器

　　强化传热的3种主要途径是：提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差。新型异径布管支承结构是在增加换热面积的基础上，进一步提高传热系数。夹持式异径换热管纵流壳程换热器 (图1)主要特征是：折流栅由折流圈和连接在折流圈上间隔排列的多组扁钢带构成;扁钢带支撑大、小直径换热管，折流圈上焊有拉杆孔。新支撑通过改变结构，可以达到以下目的 [4] ：增加换热面积30%左右;获得良好的流动分布，形成长程纵向涡街，有效减薄管外边界层;壳侧流体呈纵流、局部带有射流的夹持结构形式，改变壳程流场与温度场的协同关系，在压降增加不大的情况下，提高壳程在流体低雷诺数下的传热效率，比一般的纵流壳程换热器提高了20%。

　　2.2对流换热场协同理论

　　“场协同”理论是过增元 [5] 提出的一种与传统强化技术完全不同的方法，即通过改善流体速度场与温度场的协同程度来强化传热，即“场协同” 理论。

“场协同”理论从层流对流换热的能量方程出发[5] ，将能量方程中的对流项比拟为内热源，对边界层型的流动进行了能量方程的分析;通过将该方程在热边界层内的积分，提出促使换热强化的3个途径：①提高雷诺数(Re);②提高普朗特数(Pr)，改变流动介质的物理性质;③增加无因次积分值

　　3 .计算模型及实验验证

　　3.1计算模型

　　由于目前计算机硬件及软件限制，精确模拟换热器整体目前还很困难。王定标等研究使用“单元流道”的方式建立的计算模型能够较好地解决纵流换热器壳程流动与传热的数值模拟 [6] 。夹持式结构具有与传统折流杆换热器相似的周期特点，所以用周期模型来表征充分发展段的流场特性。本文基于周期性单元流道模型，以图1中阴影部分所示作为基本单元横截面，沿流动方向取一个几何周期建立模型(图2)。

　　本文模型选用动量和能量方程的离散格式均为二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLE 算法。由于各变量之间的强烈非线形关系，迭代求解选用亚松弛法。

　　对单元流道进行周期迭代求解。计算区域取整个单元流道，网格数为5.2×10 5 ，沿流动方向采用标准网格和非均匀网格分块划分，局部加密细化。

　　边界条件：给定周期模型进口质量流率和温度;管壁温度为恒温、不可渗透和无滑移条件。模型计算包括了换热器壳侧流动，Re的变化范围1 000～15 000，涵盖了常见的壳程流动速度和不同大小管径组合结构。

　　3.2 实验装置

　　实验装置为一台异径布管夹持式换热器，内径为147 mm，大管外径为19 mm，小管外径为14 mm，折流栅间距为100～200 mm;壳程工作介质为空气，管程工作介质为过量水蒸汽以保证壁温恒定。实验装置结构如图3所示。

　　3.3 结果分析

　　表1为部分传热与压降数据。从表1可以看出，计算结果和实验值相差不大，传热大差异为6.7%;压降相差较多，大差异为11.8%。出现差异的主要原因分析为实验模型较小，与“单元流道”的假设条件差异较多。根据实验室积累的工业数据分析，本实验模型由于尺寸和进出口影响，可能带来的大压降误差为5.6%，传热误差可以忽略;因此，本实验装置具有较高的实验精度。将数值模拟结果与实验结果进行对比，数值模拟计算有较高的准确性，可以用在异径布管夹持结构壳程传热和流动的预测。

　　4 计算结果和场协同分析

　　本文使用单元流道模型，对影响传热性能的主要边界层处进行分析，利用能量方程和边界层方程，推导出在夹持结构中在水平直管段以及收敛前两部分的速度和温度梯度场协同关系。

　　在二维不可压缩流体流动中，忽略纵向热传导，其能量方程为：

　　使用FLUENT软件对壳侧夹持式结构进行模拟，获得壳程内任意点流体流动的速度大小、方向及其分布信息，并可以用矢量图、等值线图等图形方式显示。本论文边界条件为：介质为空气;质量流量为0.020 kg/s;Re为3 853;折流栅间距为50 mm。提取夹持式结构单元壳侧流场及温度场的信息进行分析。

　　如图4显示，流体在流过折流元件时候，会在折流元件后面产生涡流。图5为图4中A点局部放大图，可以清楚地看到，由于回流的存在，回流区的速度方向同主流区相反;流体在经过水平直管段进入下一个折流元件的时候，流体将经过一个收敛阶段，流向、流速改变。

　　为了更清楚地分析一个周期内速度矢量和温度梯度场矢量的关系，将这段管的流动分为折流后部扩散段以及水平直管段两个部分。在这两部分里面，分别代入速度方程和温度方程，就可以求得在这两部分的速度场-温度梯度上的协同关系。

　　上述各式中，Rex、 x Nu、Pr分别为沿管长的平均雷诺数、平均努塞尔数、普朗特数。为简便计算，工程计算时可取流道平均雷诺数和平均努塞尔数。

　　从上面的推导可以看出，在中间换热管边界层换热分析中，折流栅后部的直管段起主要的传热作用，而且其场协同角β 扩散段 <β 水平直管段，可知在占主要传热部分的扩散段传热效果 ;这也是夹持结构强化传热的重要原因之一。这个结论与流场、温度场的分析相一致;其他换热管也有相似的结论。

　　图6是通过编制自定义程序提取的速度-温度梯度场协同角云图。为了获得清楚的显示结果，角度显示范围为75°～110°，其他角度没有被显示。对于x=0截面，从图中可以清楚地看到，在紧邻折流元件背部，速度-温度梯度场协同角很大，传热较差(超过了90°)。这部分极小，不影响整个传热。越过这一段，场协同关系较好，这个区域具有较好的传热性能;随着流动的发展和热边界层的发展，场协同关系逐渐变差，直到下一个折流元件。这与前面推导的结论相符合，也与流场、温度场的分析相一致。该图还清楚的表示了夹持结构的对强化传热的不可代替的作用。

　　从上述推出的两段区域的协同角公式中，可以分析出壳侧流场协同角β随着Re的变化规律。随着Re的增加，壳侧流场协同角的平均值β有所增大。

　　5 结论

　　本文通过建立计算流体动力学(CFD)“单元流道”模型，对异径布管夹持结构换热器壳侧单相湍流流动进行了流场、温度场耦合的三维数值模拟。通过实验比对确认：

　　(1)该模型的数值模拟方法能够准确反应壳侧流动和传热变化规律。

　　(2)证实了异径布管夹持结构是一种优异的纵流支承结构。

　　(3)通过数值模拟的方法分析了速度矢量、温度梯度矢量及二者间夹角对流体换热能力的作用，推导出夹持结构壳程场协同角的计算公式，证实了该结构具有较好的场协同效果。该方法也适合于其他类似的研究中。

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