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:123132
新型搭接螺旋折流板换热器壳程性能研究
曹兴,杜文静,程林
(山东大学热科学与工程研究中心,山东济南 250061)
(Tel:0531-88399596-2501 E-mail:caoxing84@)
摘要本文提出了一种新型搭接螺旋折流板换热器,对其壳程流动与传热性能进行了数值模拟。结果表明,与1/4扇形螺旋折流板换热器相比,新型搭接螺旋折流板换热器可以有效的减少三角区漏流,使壳程流体速度场和换热管束换热量分布更加均匀,其综合性能在小螺旋角下更具优势。基金项目:国家自然科学基金项目(51106090)资助。
关键词换热器;新型;螺旋折流板;壳程性能;数值模拟
0 引言
螺旋折流板换热器是20世纪90年代开发的一种新型换热器,与传统的弓形折流板换热器相比,具有壳程压力损失小、单位压降下传热系数高、流动死区小、管束不易积垢等诸多优点[1~3]。由于连续螺旋曲面加工困难,通常采用一系列扇形平面板代替,将其法向与壳体轴向呈一定夹角,使壳程流体实现近似螺旋流动。这种结构中由于折流板的非连续性,使得相邻2块板间形成三角形空隙,壳程流体在此区域会形成短路漏流,导致流动偏离理想的螺旋流动,从而影响换热器的传热与阻力性能。文献[4]在三角区加装阻流板,实验结果表明,加阻流板后并未明显改善换热器的传热性能,反而使沿程阻力大幅上升。文献[5]提出将螺旋折流板在两侧直边处同时加宽1排或2排管距宽度,以减少三角区漏流和壳体中心区域流动短路,但文中并未就改进前后的性能进行研究。
针对上述情况,本文提出了一种新型搭接螺旋折流板换热器,其1个螺距由6块折流板组成,而非传统的4块折流板,可以使壳程流动更接近理想螺旋流,每块折流板采取90°扇形的裁剪方式,如图1所示。该新型结构相邻2块折流板直边搭接时在轴向上具有周边重叠的区域,可以有效的减少三角区漏流,提高主流螺旋流速,增强传热效果。由于有同一排换热管穿过相邻折流板,还可以起到良好的防振作用。
本文利用CFD软件ANSYS CFX ,对新型搭接螺旋折流板换热器进行了壳程传热和流动的数值模拟,并与传统的1/4扇形螺旋折流板换热器进行了性能对比研究。
1 物理模型
新型搭接螺旋折流板换热器的物理模型如图2所示,作为对比的1/4扇形螺旋折流板换热器与其具有相同的壳体和换热管尺寸,基本结构参数按照GB 151-1999确定,如表1所示。
表1 换热器的几何尺寸
参数
新型搭接螺旋折流板(HB6)
1/4扇形螺旋折流板(HB4)
壳体内径D/mm
207
207
换热管外径/mm
19
19
换热管中心距/mm
25
25
换热管排列方式
正三角形
正三角形
换热管数量
55
55
螺旋角β/(°)
20
30
20
30
螺距/mm
252
384
213
338
换热管长度/mm
1650
1700
1650
1850
图1 新型搭接螺旋折流板
图2 螺旋折流板换热器物理模型
2 数学模型与数值模拟方法
湍流模型与控制方程
螺旋折流板换热器壳程流动表现出高度的各向异性及对流线弯曲的敏感性,故湍流计算采用在强流线弯曲、漩涡和旋转计算中有更好表现的RNG k-ε模型