文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123348
采用三角形布管的帘式折流片换热器
传热和流阻性能研究
古新,王珂,刘冰,朱培纳,郝建设
(郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室,郑州 450002)
(Tel:0371-63887823, Email:******@zzu.)
摘要基于CFD数值模拟方法和周期性全截面计算模型,采用Fluent软件对三角形布管方式下的帘式折流片换热器折流栅装配方式、折流栅间距、折流片倾角和折流片宽度等几何结构参数对传热、压降、综合性能的影响规律进行了数值研究,并推导了壳程流体传热和阻力降准数关联式。运用场协同原理对三角形布管方式下帘式折流片换热器和折流板换热器的强化传热机理进行了对比分析,并采用实验测试验证了数值模拟方法及其结果的正确性和准确度。
关键词管壳式换热器;帘式折流片;折流板;数值模拟;场协同。
0 引言
由于管壳式换热器适用性广、结构简单、坚固耐用,以及密封性好、清洗方便等特点,而成为石油、化工、能源、动力等领域应用最广泛的一种换热器[1]。目前,管壳式换热器管束支撑结构主要有板式和杆式,板式主要有弓形折流板式和螺旋折流板式。虽然弓形折流板换热器传热系数高,但存在较大的传热死区,且流体流动阻力较大。杆式换热器虽然克服了折流板换热器的一些不足,但其壳程结构不够紧凑,且在低Re下传热效果不佳。螺旋折流板式换热器的壳程流体流动比较平缓,流速均匀,但其制造和安装较为复杂,故也未得到广泛应用[2-4]。
帘式折流片换热器[5]是一种采用新型管束支撑结构的高效管壳式换热器,流体在壳程内斜向流动,如图1所示。这种结构引导壳程流体沿折流片构成的倾斜通道斜向流动,不仅充分利用了横向流因对换热管强烈冲刷作用引起的强化传热优势,还兼备了纵向流的独特性能,即壳程压降小,抗振性能好,除垢防垢效果强,综合性能优等。本文采用目前国际流行的商用CFD软件Fluent,研究了在三角形布管方式下折流栅装配方式、折流栅间距、折流片倾角和折流片宽度等结构几何参数对壳程流场和温度场的影响规律,并从场协同的角度对帘式折流片和折流板换热器壳程强化传热机理进行了对比分析,为帘式折流片换热器性能改进及进一步的结构优化提供了科学参考。
1 结构参数对壳程流体流动和传热性能的影响
几何模型和数学模型
基金项目:国家自然科学基金(51006092)
管壳式换热器壳程几何结构一般都具有周期性的特点,壳程沿流动方向可以分为进
口段、周期性充分发展段和出口段。一般来说,换热器壳程大部分换热段都处于周期性充分发展段,此区域的流体流动和传热性能基本上反映了换热器的整体性能。故数值模拟通常选择此区域进行分析求解。在适当简化换热器的几何结构后,可建立周期性全截面计算模型,并且因结构的对称性,为了计算快捷,建模时取相对称的半个实体即可[6],如图2所示。
图1 换热器壳程流体斜向流动状态
图2 帘式折流片换热器周期性全截面计算模型
帘式折流片换热器计算模型主要结构参数列于表1。以常温下的水作为壳程介质,换热管壁保持120 ℃恒温,对不同Re数下的折流板和帘式折流片换热器壳程流体流动和传热特性进行数值模拟研究。
表1 帘式折流片换热器计算模型主要结构参数
筒体内径
(mm)
换热管
型号
换热管
中心距(mm