不同流體流向的換熱特性數(shù)值模擬

李士騰，王洪利，張燕，朱治敏，張超

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

隨著國家對(duì)節(jié)能減排重視程度的提高，能源有效化利用逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)[1,2]，換熱器已廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、建筑供暖、家用冰箱、石油、核能等各個(gè)領(lǐng)域[3]。流體換熱選取原則，通常會(huì)以逆流換熱為主，教材上也指出逆流換熱效果優(yōu)于順流方式，但詳細(xì)分析原因并不多見。近年來，國外集中對(duì)在逆流換熱方式前提下的換熱器換熱強(qiáng)化進(jìn)行了研究：Do Huu-Quan[4]等對(duì)簡單套管式換熱器逆流換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Re<7 000時(shí)，內(nèi)扁管性能優(yōu)于內(nèi)圓管；當(dāng)Re<7 000時(shí)，內(nèi)圓管換熱性能則要優(yōu)于內(nèi)扁管。Sivalakshmi[5]等人研究了翅片對(duì)套管換熱器換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)與光滑套管換熱器相比，加翅片之后換熱效果增強(qiáng)了35%；與內(nèi)螺旋套管相比，增強(qiáng)了38.46%。國內(nèi)對(duì)于順逆流的換熱大多停留在實(shí)驗(yàn)研究上：孫昊[6,7]以板式換熱器為研究對(duì)象，研究了順、逆流2種流向下的熱通量、換熱溫差、換熱效率，發(fā)現(xiàn)逆流換熱總是優(yōu)于順流換熱。敖江麗[8]等以實(shí)際工程為例，以所需換熱面積為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)順、逆流2種工況分別計(jì)算，發(fā)現(xiàn)逆流時(shí)所需面積要小于順流。申江[9]等以蒸發(fā)式冷凝器為例實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下的順、逆流傳熱、傳質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)在同等條件下逆流傳熱、傳質(zhì)系數(shù)都要高于順流。

基于逆流和順流換熱形式和特點(diǎn)，該項(xiàng)研究利用Fluent軟件對(duì)不同工況下的不同流體流向進(jìn)行模擬分析，旨在對(duì)2種換熱方式進(jìn)行深入探討。

1 換熱器熱力學(xué)分析

1.1 換熱關(guān)系式

以無相變的套管式換熱器為例，傳熱過程包括流體與管壁之間的對(duì)流換熱以及管壁上的導(dǎo)熱過程。換熱器有2個(gè)基本關(guān)系式：傳熱基本方程式和熱平衡方程式。

傳熱基本方程式的一般表示形式為：

(1)

其中，Q為傳熱量，W；k為換熱器傳熱面某一單元的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；dA為某一單元傳熱面積；Δt為傳熱面上某一單元傳熱流體溫差，K。

工程計(jì)算時(shí)將上式簡化可得：

Q=KAΔtm

(2)

K為傳熱面的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱壁面面積，m2；Δtm為間壁兩側(cè)傳熱流體平均溫差(亦稱對(duì)數(shù)平均溫差)，K。

平均溫差計(jì)算公式為：

(3)

上式對(duì)于順流、逆流2種工況都適用。

假設(shè)外壁面為絕熱壁面，則根據(jù)能量守恒定律，熱平衡方程式可以表示為：

(4)

其中，下角標(biāo)1、2分別代表熱流體與冷流體，'、''分別代表進(jìn)口狀態(tài)與出口狀態(tài)。M為流體質(zhì)量流量，kg/s；h為流體的焓值，J/kg。

1.2 換熱原理

順流換熱就是指冷熱流體流向一致的換熱方式。在換熱過程中冷流體溫度沿程不斷升高，熱流體溫度沿程不斷下降，其換熱原理如圖1所示。

圖1 順流換熱原理

逆流換熱就是冷熱流體流向相反的換熱方式。在換熱過程中，為得到更好的換熱效果，所需流體通常下進(jìn)上出，而另一流體流向剛好與之相反，冷流體溫度沿程不斷升高，熱流體溫度沿程不斷下降，其換熱原理如圖2所示。

圖2 逆流換熱原理

2 物理模型

2.1 模型建立與簡化

將套管式換熱器進(jìn)行建模，模型如圖3所示?？紤]到計(jì)算機(jī)的性能，對(duì)原模型進(jìn)行合理的簡化：

(1)只考慮縱向傳熱及擾動(dòng)效果；

(2)忽略進(jìn)出口效應(yīng)帶來的熱擾動(dòng)。

最終模型為內(nèi)管直徑36 mm,外管直徑80 mm，內(nèi)外管壁厚2 mm，管子總長6 200 mm的二維圖形。簡化后的模型如圖4所示。

圖3 換熱器幾何模型圖 圖4 換熱器簡化模型

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

簡化后的模型形狀不規(guī)則，采用三角形殼網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分。為降低服務(wù)器計(jì)算負(fù)荷，減少網(wǎng)格數(shù)，壁面厚度利用Fluent中的Wall Thickness進(jìn)行設(shè)定，其中內(nèi)外管壁都設(shè)定為2 mm，且內(nèi)管為導(dǎo)熱性能好的紫銅，外管為抗腐蝕性能好的不銹鋼。最終劃分網(wǎng)格總數(shù)為514 849個(gè)，保證大部分網(wǎng)格質(zhì)量都達(dá)到0.6，長寬比趨于1，最小角大于45°，最終劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖

管內(nèi)模擬材料都采用液態(tài)水，內(nèi)管為高溫流體，外管為低溫流體。邊界條件設(shè)置如下表1所示。

表1 模擬邊界類型及設(shè)置

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

取內(nèi)管入口速度為0.02 m/s，外管速度為0.03 m/s時(shí)的一個(gè)逆流工況和順流工況來進(jìn)行驗(yàn)證。通過設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸來生成不同數(shù)量的網(wǎng)格，分別取網(wǎng)格數(shù)為95 982個(gè)、129 840個(gè)、142 938個(gè)、198 542個(gè)、235 420個(gè)，發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，2種工況模擬值差距越來越小并趨于穩(wěn)定，考慮到計(jì)算機(jī)性能及結(jié)果準(zhǔn)確程度的影響，最終確定網(wǎng)格數(shù)為142 938個(gè)。

2.4 物性參數(shù)的確定

以水的物性參數(shù)為例，水的溫度在熱量傳遞過程中不斷變化，為保證模擬的準(zhǔn)確性，經(jīng)REFPROP9.1查詢水的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、粘性等物性后利用MATLAB以最小二乘法為基礎(chǔ)進(jìn)行擬合，得到這些參數(shù)與溫度的關(guān)系關(guān)聯(lián)式，在Visual Studio 2013中編寫水的物性參數(shù)隨溫度變化的UDF，編譯完成后加載進(jìn)Fluent中。常壓下水的部分物性參數(shù)如表2所示。

表2 水的物性參數(shù)

3 模擬過程及結(jié)果

3.1 模擬過程

激活能量方程以及k-ε紊流模型，采用couple算法，將各個(gè)殘差都設(shè)定為10-6，并在內(nèi)外管出口處設(shè)定溫度監(jiān)測曲線，待殘差曲線收斂且監(jiān)測曲線穩(wěn)定后輸出結(jié)果。

模擬了順流、逆流換熱的4種不同形式，分別如表3所示。

表3 不同工況流向

與表3所對(duì)應(yīng)的工況如圖6所示。

圖6 不同工況流向簡圖

3.2 模擬結(jié)果

保持內(nèi)管入口速度為0.02 m/s不變，工況2、3不同外管速度下溫度場模擬結(jié)果對(duì)比如圖7～圖11所示。

圖7 外管入口速度為0.03 m/s溫度場

圖8 外管入口速度為0.06 m/s溫度場

圖9 外管入口速度為0.09 m/s溫度場

圖10 外管入口速度為0.12 m/s溫度場

圖11 外管入口速度為0.15 m/s溫度場

由圖7～圖11可知，隨著外管流速的升高，2種流向外管出口溫度都呈下降趨勢，這是因?yàn)樵谕夤芰魉僭黾拥墓r下，外管中的冷流體與內(nèi)管中的熱流體接觸時(shí)間變短，導(dǎo)致外管流體換熱還未充分就流至管外。在流體流動(dòng)過程中水平位置流動(dòng)比較穩(wěn)定，在流動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí)會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，可以得知，在流向發(fā)生變化時(shí)會(huì)增大流體的擾動(dòng)從而加強(qiáng)換熱效果。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中可以在條件允許的情況下使流體流動(dòng)方向發(fā)生多次改變從而增強(qiáng)換熱。

利用Fluent中的SurfaceIntegrals可以提取出內(nèi)外管出口流體平均溫度，經(jīng)整理在Origin中進(jìn)行處理可得如圖12所示點(diǎn)線圖。

圖12 內(nèi)、外管出口平均溫度曲線

由圖12及Fluent中提取到的數(shù)據(jù)可知，外管流體流速由0.03 m/s提高至0.15 m/s的過程中：外管出口溫度逆流工況溫升由11.838 K降低至2.825 K，順流工況溫升由11.04 K降至2.727 K，這是因?yàn)橥夤芰黧w流速越低，與內(nèi)管流體換熱會(huì)越充分，且逆流工況出口溫度永遠(yuǎn)高于順流工況，隨著流速降低，其差距亦會(huì)增大；內(nèi)管出口溫度逆流工況溫降由26.099 K升高至27.41 K，順流工況溫降由25.484 K升高至27.165 K，這是由于隨著外管流體流速增加，其流量也會(huì)增加，從內(nèi)管中帶走的熱量就會(huì)增加，致使內(nèi)管溫降變大，并且內(nèi)管出口溫度逆流工況永遠(yuǎn)低于順流工況。綜上所述，逆流換熱效果要優(yōu)于順流。

工況1～4在Fluent中提取到的出口溫度數(shù)據(jù)在Origin繪制點(diǎn)線圖如圖13所示：

圖13 4種工況不同外管流速內(nèi)、外管出口溫度曲線

保持外管速度0.03 m/s不變，改變內(nèi)管速度，模擬結(jié)果經(jīng)處理在Origin中可繪制如下點(diǎn)線圖14。

圖14 4種工況不同內(nèi)管流速內(nèi)、外管出口溫度曲線

由圖13、圖14及Fluent出口參數(shù)可得，在相同條件下逆流換熱情況一直優(yōu)于順流，2種不同順、逆流差距不大。若想得到較高的外管出口溫度，換熱優(yōu)劣順序?yàn)楣r3、工況4、工況2、工況1，以逆流換熱工況3、4為例，工況3外管流體從下到上過程中需要克服重力的影響，加大了流動(dòng)過程中的阻力，換熱效果更好，因此外管出口溫度要高于工況4，工況1、2同理。

4 結(jié)論

利用Fluent軟件對(duì)套管式換熱器不同內(nèi)外管流速條件下的不同流體流向進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明同等條件下逆流換熱效果一直優(yōu)于順流換熱，驗(yàn)證了以往經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在條件允許的情況下可以增加管內(nèi)流體流向改變的次數(shù)，通過增加流體擾動(dòng)性達(dá)到增強(qiáng)換熱的效果。