丁友勝++崔新亭
摘 要:為了研究板翅式換熱器芯體內(nèi)的氣流分布情況,對板翅式換熱器封頭和芯體整體進行建模,并分別采用多孔跳躍模型、多孔區(qū)域模型和多通道多孔區(qū)域模型等三種模型對換熱器芯體進行簡化處理,對比分析了各種模型的優(yōu)劣。結(jié)果表明,多通道多孔區(qū)域模型最符合實際運行情況,并基于此模型計算分析了芯體高度對換熱器氣流分布的影響。
關鍵詞:板翅式 多孔介質(zhì) 氣流分布
中圖分類號:TK172 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)09(c)-0025-04
板翅式換熱器因結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、傳熱效率高、溫度控制性好、適應性強等一系列優(yōu)點廣泛應用于諸多工業(yè)領域,并成為空分、LNG等裝置最重要的設備之一。隨著空分、LNG等裝置向大型、特大型方向發(fā)展,其對所用板翅式換熱器的要求也越來越高。而目前國內(nèi)自主設計制造的板翅式換熱器的效率與國外仍有很大的差距。影響其換熱效率的因素主要是流體分布的均勻性、翅片的傳熱特性、相變的影響和物流通道的排列等,而流體分布均勻性一直是研究的重點之一。國內(nèi)外多數(shù)研究認為流體分布不均勻是由于封頭、配管設計不合理[1-5],在流體還未進入板束體進行換熱時已產(chǎn)生了不均勻分布,并指出封頭結(jié)構(gòu)是導 致流體分布不均的主要因素。
板翅式換熱器結(jié)構(gòu)復雜,由封頭、導流片、翅片、隔板、封條等組成,在數(shù)值模擬中要將其一一體現(xiàn)出來是不現(xiàn)實的,必須進行簡化處理。為此,Patankar和Spalding提出了多孔介質(zhì)模型的方法[6]。陳強[7]將微管道換熱器抽象成多孔介質(zhì)模型。朱冬生[8]采用多孔介質(zhì)模型對板翅式燃氣熱水器換熱器芯體內(nèi)流體的流動與傳熱進行三維數(shù)值模擬。李美玲[9]采用多孔介質(zhì)模型對換熱器芯體進行了簡化處理。熊智強[10]采用直接數(shù)值模擬和多孔介質(zhì)模型兩種方法對管殼式換熱器進行研究。本文分別采用多孔跳躍模型、多孔區(qū)域模型和多通道內(nèi)多孔區(qū)域模型對換熱器芯體進行簡化計算,分析多孔介質(zhì)模型在板翅式換熱器流體分布數(shù)值模擬中的應用的合理性,并分析換熱器芯體高度對氣流分布的影響。
1 物理模型
根據(jù)某板翅式換熱器內(nèi)部實際流動區(qū)域,建立了板翅式換熱器氣流入口封頭及板束體幾何模型。其中封頭尺寸為1000 mm×300 mm×450 mm,進口管直徑110 mm。芯體采用三種處理方式,一是用多孔跳躍模型進行一維簡化;二是用多孔區(qū)域?qū)⑿倔w簡化成長方體;三是簡化為25個通道,每個通道內(nèi)為多孔介質(zhì)模型。為了減少模型進出口對換熱器流場的影響,將出口向外側(cè)延伸50 mm(見圖1、圖2和圖3)。
2 數(shù)學模型
(1)質(zhì)量守恒方程:
(1)
(2)動量守恒方程:
(2)
①對于非多孔介質(zhì)區(qū)域Si=0。
②多孔介質(zhì)的動量方程具有附加的動量源項。動量源項采用冪律公式來確定:
(3)
其中,為多孔區(qū)域的動量源項,Pa/m;為多孔區(qū)域內(nèi)的流速,m/s;C0為擬合公式中流速的系數(shù);C1為擬合公式中流速的指數(shù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合芯體阻力公式為:,得:C0=5916,C1=1.79。
(3)k-方程:
(4)
(5)
①在非多孔介質(zhì)區(qū),?。?/p>
Sk=0,S=0
②在多孔介質(zhì)區(qū),?。?/p>
(6)
(7)
3 邊界條件及求解方法
在換熱器芯體內(nèi)的通道中,氣流主要沿板束方向流動,在通道內(nèi)部,有少許橫向流速分布,對于通道之間來說,由于隔板的原因,橫向流速分布可忽略不計。模型假設氣體不可壓縮,邊界條件設置選擇速度入口、壓力出口,芯體根據(jù)簡化模型選擇多孔跳躍或多孔區(qū)域邊界條件。壁面附近采用標準壁面函數(shù)法,求解模型采用Simple算法的分離求解器,湍流模型采用標準k-ε方程,各項收斂標準均設為0.001。
4 計算結(jié)果及分析
4.1 計算結(jié)果分析指標
(1)定性指標——流場分布與實際運行情況符合程度,選取模型中心截面流場矢量圖,并與實際運行情況進行對比,由兩者相符程度判斷模型的合理性。
(2)定量指標——氣流分布不均勻度M,可用公式表達為:
(8)
其中,gi為第i個通道流量,ga為總流量。
4.2 三種模型計算結(jié)果的合理性比較
(1)采用多孔跳躍模型簡化換熱器芯體。
圖4、圖5可以看出,氣流進口處的Z向速度大于0的范圍較多,即有嚴重向上回流的現(xiàn)象,這對板翅式換熱器的通道來說,是不可能的。因此,采用這種簡化模型分析流場是不合理的。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因是模型僅計算封頭內(nèi)部的流場,而不考慮換熱器芯體內(nèi)的流場分布。
(2)采用多孔介質(zhì)區(qū)域?qū)⑿倔w簡化為長方體。
圖7看出,換熱器芯體的整個流場內(nèi),Z向速度為負,沒有出現(xiàn)回流現(xiàn)象,與多孔跳躍模型相比,比較符合實際運行情況。但是圖6顯示,在芯體入口內(nèi)部,流場沿封頭軸線方向,出現(xiàn)了比較嚴重的橫向滲流現(xiàn)象,這種現(xiàn)象仍然與芯體換熱通道的特性不符,故單純的多孔區(qū)域模型仍有較大偏差。
(3)簡化為25個通道模型。
基于以上兩種模型出現(xiàn)的問題,需對第二種模型做進一步的改進,將整個芯體沿封頭軸線方向劃分,簡化為25個通道,每個通道內(nèi)為多孔介質(zhì)模型,通道之間由隔板完全隔開。由圖8可以看出,這種模型基本上消除了芯體入口內(nèi)部橫向滲流現(xiàn)象,符合芯體內(nèi)換熱通道的特性,故運用該模型對換熱器內(nèi)部的流場進行分析時,可以得到比較接近真實的結(jié)果。如果要得到更精確的結(jié)果,可以將模型隔出更多通道,但對電腦的性能要求也更高。
4.3 換熱器芯體高度對流場分布均勻性的影響endprint
根據(jù)第三種計算模型,對于固定的翅片形式,多孔介質(zhì)的特性參數(shù)是一定的,那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質(zhì)量流量的分布與芯體高度的關系圖;圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。
從圖10可以看出,當芯體高度小于2 m時,氣流分配非常不均勻;當芯體高度大于2 m時,氣流分配不均主要發(fā)生在換熱器中心部位,即通道11到通道15之間;當芯體高度大于4 m時,氣流分配總體趨于均勻,中心部位依然有小程度不均,芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結(jié)果可以看出,換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時,氣流分配非常不均勻,此時通過改進封頭結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題;當芯體阻力比較大時,對封頭結(jié)構(gòu)改造的意義就很小了。
5 結(jié)語
該文不局限于僅僅計算封頭內(nèi)部的流場分布,而是對換熱器的整體流場進行研究,因此得出的計算結(jié)果更具有實際意義。
對板翅式換熱器芯體進行簡化時,多通道多孔區(qū)域模型要明顯優(yōu)于多孔跳躍模型和整體多孔區(qū)域模型,更符合實際情況。
換熱器芯體高度對氣流分布影響較大,當高度達到一定值時,改變封頭結(jié)構(gòu)就失去了意義。事實上,國內(nèi)進口板翅式換熱器基本上沒有封頭分布結(jié)構(gòu)。
采用多孔介質(zhì)模型對換熱器芯體進行合理的簡化能夠為開發(fā)高效率板翅式換熱器提供一條有利的途徑。
參考文獻
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[3] 張哲,厲彥忠,焦安軍.板翅式換熱器封頭結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].化工學報,2002,53(11):1182-1187.
[4] 巫江虹,陳長青,吳業(yè)正.板翅式換熱器兩相流封頭設計及其分配特性[J].低溫工程,1996(5):10-14.
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[8] 朱冬生,毛瑋,藍少健,等.多孔介質(zhì)模型在板翅式換熱器數(shù)值模擬中的應用[J].流體機械,2012,40(4):63-67.
[9] 李美玲,田寶龍,王宏偉,等.板翅式換熱器封頭型式的改造[J].低溫與特氣,2011,29(4):16-20.
[10] 熊智強,喻九陽,熊智斌.管殼式換熱器流場數(shù)值模擬方法[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學院學報,2006(3).endprint
根據(jù)第三種計算模型,對于固定的翅片形式,多孔介質(zhì)的特性參數(shù)是一定的,那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質(zhì)量流量的分布與芯體高度的關系圖;圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。
從圖10可以看出,當芯體高度小于2 m時,氣流分配非常不均勻;當芯體高度大于2 m時,氣流分配不均主要發(fā)生在換熱器中心部位,即通道11到通道15之間;當芯體高度大于4 m時,氣流分配總體趨于均勻,中心部位依然有小程度不均,芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結(jié)果可以看出,換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時,氣流分配非常不均勻,此時通過改進封頭結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題;當芯體阻力比較大時,對封頭結(jié)構(gòu)改造的意義就很小了。
5 結(jié)語
該文不局限于僅僅計算封頭內(nèi)部的流場分布,而是對換熱器的整體流場進行研究,因此得出的計算結(jié)果更具有實際意義。
對板翅式換熱器芯體進行簡化時,多通道多孔區(qū)域模型要明顯優(yōu)于多孔跳躍模型和整體多孔區(qū)域模型,更符合實際情況。
換熱器芯體高度對氣流分布影響較大,當高度達到一定值時,改變封頭結(jié)構(gòu)就失去了意義。事實上,國內(nèi)進口板翅式換熱器基本上沒有封頭分布結(jié)構(gòu)。
采用多孔介質(zhì)模型對換熱器芯體進行合理的簡化能夠為開發(fā)高效率板翅式換熱器提供一條有利的途徑。
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[10] 熊智強,喻九陽,熊智斌.管殼式換熱器流場數(shù)值模擬方法[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學院學報,2006(3).endprint
根據(jù)第三種計算模型,對于固定的翅片形式,多孔介質(zhì)的特性參數(shù)是一定的,那么芯體的壓降跟其高度有關。圖9為各通道質(zhì)量流量的分布與芯體高度的關系圖;圖10為各通道氣流分布不均勻度M的值與芯體高度的關系圖。
從圖10可以看出,當芯體高度小于2 m時,氣流分配非常不均勻;當芯體高度大于2 m時,氣流分配不均主要發(fā)生在換熱器中心部位,即通道11到通道15之間;當芯體高度大于4 m時,氣流分配總體趨于均勻,中心部位依然有小程度不均,芯體高度對氣流分配不均勻度的影響變得很小。由以上結(jié)果可以看出,換熱器芯體阻力對氣流分配的影響是比較明顯的。當阻力比較小時,氣流分配非常不均勻,此時通過改進封頭結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上解決氣流分配不均的問題;當芯體阻力比較大時,對封頭結(jié)構(gòu)改造的意義就很小了。
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