高效管換熱器殼程傳熱強化效果及機理

吳志偉,王 通,王彥龍,趙克強,錢才富

(1.北京化工大學 機電工程學院,北京 100029;2.山東美陵化工設備股份有限公司,山東淄博 255000)

0 引言

管殼式換熱器因其結構簡單、成本低、適應性強等特點,廣泛應用于石化、冶金、輕工、能源等領域[1-2],在換熱設備中約占70%的市場份額,處于不可替代的主導地位。

管殼式換熱器的強化傳熱方式主要有管程強化傳熱和殼程強化傳熱。其中管程強化傳熱主要是通過改變換熱管的形狀,從而增強壁面處流體的湍動程度,如波紋管[3]、螺旋槽管[4]、縮放管[5]、波節管[6]等。關于高效管強化傳熱機理的研究一直是研究熱點。KAREEM等[7]全面綜述了波紋管管內流體流動和傳熱性能,包括層流和湍流,結果表明,波紋處會產生渦流,這是傳熱增強的主要原因,波紋節距和高度對工作流體的流動狀態有顯著影響,此外,由于螺旋波紋的存在,螺旋波紋管的傳熱性能進一步提高。CRCOLES等[8]通過數值模擬方法對螺旋槽管的波紋形狀(定義波紋形狀系數CSF)進行了深入研究,研究結果表明,在研究范圍內(4

關于高效管強化傳熱的研究大多集中在管內傳熱,很少有針對高效管換熱器的殼程強化傳熱機理的研究。本文建立4種管型的高效管換熱器(圓弧波紋管、錐紋管、波節管和螺旋波紋管)殼程流體流動和傳熱數值模擬模型,研究高效管殼程傳熱強化效果和機理。

1 有限元分析模型

1.1 幾何模型

4種高效管換熱器的幾何模型如圖1所示,具體尺寸參數見表1,換熱管的排列方式見圖2。

表1 換熱器基本結構參數

圖1 高效管換熱器幾何模型

圖2 換熱管排列方式

文中研究的高效管都是由光滑管(?25 mm×2.5 mm)軋制而成,且具有相同的波紋深度和節距,其結構尺寸見圖3,布管如圖2所示。

L=18 mm,h=2.5 mm,R1=15 mm,R2=2.5 mm

L=18 mm,h=2.5 mm,R1=5 mm,R2=6 mm

L=18 mm,h=2.5 mm,R1=10 mm,l=7 mm

L=18 mm,h=2.5 mm,α=77°

1.2 控制方程

為簡化數值模擬,作出以下假設:(1)殼程流體為不可壓縮的牛頓型流體;(2)介質常物性穩態流動,重力的影響忽略不計;(3)換熱管的外表面溫度恒定。對于穩態條件,需滿足流體動力學的基本控制方程——連續方程、動量方程和能量方程[12]。

1.3 流動和傳熱參數計算

雷諾數Re和普朗特數Pr:

Re=ρuDe/μ

(1)

Pr=cpμ/ρ

(2)

式中,ρ為流體密度;u為殼程流體流速;De為當量直徑;μ為流體黏度;cp為流體比熱容。

當換熱管為正方形排列時,De計算表達式如下:

(3)

式中,s為換熱管間距;do均取基管外徑。

傳熱計算理論公式如下:

Q=qmcp(to-ti)

(4)

(5)

(6)

Δt1=tw-ti

(7)

Δt2=tw-to

(8)

Nu=hDe/λ

(9)

式中,qm為質量流量;to,ti分別為熱交換器的殼程出口溫度和入口溫度;S為熱交換面積;Δtm為對數平均溫差;tw為換熱管壁面溫度。

1.4 邊界條件和湍流模型

模擬時采用速度入口,且流體介質的入口溫度設置為295 K。在換熱管的壁面上設置350 K的恒定溫度。殼程出口設置為壓力出口,壓力設置為0。忽略換熱器表面的熱損失,將其設為絕熱。殼體內壁和計算域內的所有固體表面采用非滑移邊界條件。為了簡化模型,換熱器采用1/2模型。數值模擬中使用的介質水的物理參數如表2所示。

表2 介質水的物性參數

在求解過程中,采用基于壓力的隱式求解器,壓力和速度采用 SIMPLEC 算法耦合,除壓力外的所有變量均采用二階迎風格式處理,激活能量方程。收斂準則的能量殘差曲線標準為10-6,其余變量為10-4。計算湍流模型采用SSTk-ω。為驗證數值計算準確性,建立了相同結構參數的光滑管換熱器模型,并分別將采用SSTk-ω和Realizeblek-ε為湍流模型的換熱器數值模擬結果與換熱器殼程努塞爾數經驗公式[12](式(10))計算對比,結果如圖4所示。在研究范圍內采用SSTk-ω計算結果與經驗公式更為接近,最大偏差在5.5%,故本文采用SSTk-ω湍流模型。

圖4 數值計算驗證

Nu=0.36Re0.55Pr1/3(μ/μw)0.14

(10)

1.5 網格劃分和無關性驗證

以波紋管換熱器為例,其整體采用非結構化網格劃分,并對局部區域進行網格加密,如圖5所示,表3示出網格無關性考核結果?？梢钥闯?當網格數量從16 623 087增加到27 094 008時,殼程努塞爾數和壓力降的相對誤差均在3%以內,認為滿足了網格無關性的要求。文中其他高效管換熱器采用相同的網格尺寸。

表3 網格無關性計算結果

圖5 圓弧波紋管換熱器網格模型示意

2 高效管殼程傳熱強化效果

圖6示出各換熱器殼程努塞爾數隨雷諾數的變化?？梢钥闯?與光滑管相比,4種高效管的殼程傳熱性能有了明顯提高。雷諾數在7 392～36 960的范圍內,圓弧波紋管、錐紋管、波節管、螺旋波紋管的殼程努塞爾數分別比光滑管提高了11.01%～28.74%,9.55%～25.13%,7.52%～24.75%,26.2%～46.78%。其中強化效果小的對應于較大的雷諾數,例如,對于圓弧波紋管、錐紋管、波節管換熱器來說,殼程雷諾數為36 960時,高效管的殼程努塞爾數僅比光滑管提高約10%。這是由于雷諾數的提高,光滑管換熱器的殼程流體湍流程度也提高了,使得光滑管和高效管換熱器殼程之間的流動狀態差異變得不顯著,高效管的傳熱強化效果自然也就減小了。

圖6 各換熱器殼程努塞爾數Nu隨雷諾數Re

圖7示出各換熱器殼程壓降隨雷諾數的變化?？梢钥闯?隨著殼程雷諾數的增加,換熱器殼程壓降迅速增加。整體來看,換熱器管型的不同對殼程壓降影響不大;而有些意外的是,與光滑管相比,圓弧波紋管、錐紋管、波節管的殼程壓降分別下降了3.42%～7.9%,5.98%～9.14%,8.79%～9.81%,這是由于圓弧波紋管、錐紋管、波節管的管徑周期性收縮,使得殼程流通面積略有增加造成的。對于螺旋波紋管,殼程流通面積相對光滑管沒有增加,而螺旋結構加大了管壁附近流體的湍流程度,因此,螺旋波紋管的殼程壓降增加了0.22%～4.98%。

圖7 換熱器殼程壓降ΔP隨雷諾數Re變化的關系曲線

Nu/ΔP用于表示換熱器的綜合傳熱性能。圖8示出高效管換熱器殼側Nu/ΔP與光滑管換熱器管殼側Nu/ΔP的比值,縱坐標值均大于1,這表明在綜合考慮傳熱和流動阻力時,圓弧波紋管、錐紋管、波節管、螺旋波紋管的殼程綜合性能均優于光滑管換熱器,其中螺旋波紋管的殼程綜合傳熱性能最強。

圖8 高效管與光滑管換熱器殼程Nu/ΔP之比與Re的關系

3 換熱器殼程強化機理

管殼式換熱器的殼程流體在折流板的引導下呈“Z”形流動,流體流動方向和管子軸向之間的夾角不斷變化,若將沿管子和垂直于管子的流動分別稱為縱向流和橫向流,則在折流板弓形缺口區域的管子周圍的流體流動主要為縱向流,而在非缺口區域管子周圍的流體流動主要為橫向流,對于有波紋外形的高效管,對縱向流和橫向流的傳熱強化效果應該有所不同,以下從不同角度進行研究,以探討高效管殼程傳熱強化機理。

3.1 缺口布管對殼程努賽爾數的影響

首先考察波紋對殼程橫流傳熱性能的影響,為此,建立在折流板缺口區域未布管的光滑管和圓弧波紋管換熱器有限元模型,以排除缺口區域縱流的傳熱,如圖9所示。此時換熱器有限元模型除了換熱管數目不同外,其余結構參數均與前文保持一致。

圖9 折流板缺口區域未布管換熱器結構示意

當殼程雷諾數為11 088時,折流板缺口區域未布管時和缺口布管時換熱器的計算結果分析如表4所示。折流板缺口布管時,圓弧波紋管換熱器的殼程努塞爾數比光滑管管殼式換熱器提高了28.7%,而在折流板缺口區域未布管的圓弧波紋管和光滑管換熱器殼程努塞爾數僅相差3.25%。

表4 折流板缺口區域是否布管對傳熱性能的影響

為進一步證實高效管在折流板缺口區域傳熱性能的提高,還模擬了只在缺口區域布直管的圓弧波紋管換熱器傳熱性能,并和在缺口區域不布管和布波紋管的換熱器相比較,結果見表5。

表5 折流板缺口區域換熱管對圓弧波紋管換熱器傳熱性能的影響

從表5可以看出,和缺口區域布波紋管相比,缺口區域不布管的換熱器殼程Nu下降了7.27%,而缺口區域布直管的換熱器殼程Nu卻降低了25.22%。比較表4和表5可以發現,缺口區域布直管的波紋管換熱器和光滑管換熱器殼程Nu很接近,前者殼程Nu為106.4,而后者殼程Nu為110.54,這也再次證明了缺口區域不布管的波紋管換熱器沒有明顯傳熱強化作用。

因此,可以認為對于縱流,波紋結構可以有效提高殼程傳熱性能;而對于橫流,波紋結構沒有明顯提升殼程傳熱性能。

由同種管型換熱器對比發現,折流板缺口區域未布管的波紋管相對于缺口區域布管換熱器殼程Nu有所下降,而光滑管換熱器殼程Nu卻有所提升。這是由于光滑管管殼式換熱器在非缺口區域的橫流換熱性能好于折流板缺口部位的縱流換熱性能;而波紋管換熱器則相反,波紋管在缺口區域縱流傳熱性能好于不在缺口區域的縱流傳熱性能,這點還可從下文兩折流板中間位置和折流板缺口部位的局部平均傳熱系數得到佐證。

所以,對于高效管換熱器,折流板缺口區域布管可以提升整個換熱器傳熱性能;而對于光滑管換熱器,折流板缺口區域布管則拉低了整個換熱器傳熱性能。不過應該說明的是,折流板缺口區域是否布置換熱管會影響傳熱性能,但由于總的換熱面積改變了,對換熱器傳熱能力的影響應該是不一致的。

3.2 非缺口區域管子局部傳熱系數分析

為進一步考察橫流管束的殼程傳熱性能,提取殼程Re為11 088時各換熱器在非缺口區域沿管長的局部傳熱系數并進行對比,結果見圖10。

圖10 折流板非缺口區域沿管長局部傳熱系數

從圖10可以看出,由于折流板背風側流動死區的存在,各換熱器殼程流體在折流板迎風側局部傳熱系數均有所提高,即從左到右,局部傳熱系數整體有所提高。對高效管換熱器在圖示范圍沿管長方向的局部傳熱系數取平均值,結果見表6。

表6 殼程非缺口區域沿管長局部傳熱系數

從表6可以看出,高效管換熱器的局部平均傳熱系數和光滑管換熱器比較接近,相對偏差在4%之內,再次說明由于主要為橫流,在管殼式換熱器非缺口區域,高效管傳熱性能相比于光滑管并沒有提高。

3.3 缺口區域管子局部傳熱系數分析

在管殼式換熱器中,折流板缺口區域的流體呈縱向流趨勢,流體流動狀態受到管型結構的影響。

在缺口區域,換熱器殼程流體主要為縱向流,速度矢量圖如圖11所示?？梢钥闯?光滑管換熱器的殼程流體主要為直線順流,而對高效管換熱器,由于管壁具有波紋結構,對殼程流體流動造成較強的擾動,甚至在波紋波谷處還形成了局部渦流,增強壁面流體的湍流程度。螺旋波紋管管間流體湍流程度最為劇烈,這是因為其管間流體是在三維空間周期性旋轉的,流體遇到螺旋形的管壁會產生偏離主流方向的二次流,會在流道產生大范圍旋流。

圖11 折流板缺口區域殼程流體速度云圖

圖12示出殼程Re為11 088時,折流板缺口區域管子沿管長方向的殼程局部傳熱系數。

圖12 折流板缺口區域沿管長局部傳熱系數

由圖12可看出,圓弧波紋管、錐紋管、波節管換熱器的局部換熱系數隨著波紋波谷波峰的位置而變化,這是由于在波谷附近(即在殼程流域的開闊處)殼程流體湍流程度較高,其附近管壁局部傳熱系數相對波峰處較大,這與管內流體在波峰處局部傳熱系數最大有著相同的表現[13-18]。光滑管和螺旋波紋管在此處的局部傳熱系數波動較小,這是因為兩種管橫截面積保持不變,沿管長方向,管間殼程流體流動速度變化不大。

同樣,計算折流板缺口區域殼程流體局部位置的傳熱系數,如表7所示?？梢钥闯?圓弧波紋管、錐紋管、波節管、螺旋波紋管的局部傳熱系數均比光滑管有明顯提高,螺旋波紋管提高尤為顯著。

表7 殼程折流板缺口區域沿管長局部傳熱系數

綜上所述,從殼程流體局部區域的傳熱系數可以看出,高效管在以縱流為主折流板缺口區域的傳熱性能高于在以橫流為主的非折流板缺口區域的傳熱性能,而這也是高效管換熱器殼程傳熱性能要高于光滑管換熱器的主要原因。

4 結論

(1)在所研究的雷諾數范圍內,高效管換熱器殼程換熱性能均比傳統光滑管換熱器有明顯提升,圓弧波紋管、錐紋管、波節管、螺旋波紋管換熱器的殼程努塞爾數相比傳統管殼式換熱器分別提高了11.01%～28.74%,9.55%～25.13%,7.52%～24.75%,26.2%～46.72%。

(2)與光滑管相比,螺旋波紋管的殼程壓降增加了0.22%～4.98%,但圓弧波紋管、錐紋管、波節管的殼程壓力降分別降低了3.42%～7.9%,5.98%～9.14%,8.79%～9.81%。高效管換熱器殼程綜合傳熱性能均比光滑管有所提高,其中螺旋波紋管換熱器的殼程綜合傳熱性能最強。

(3)對于高效管換熱器,折流板缺口區域布管會提升整個換熱器的傳熱性能,而對于光滑管換熱器,折流板缺口區域布管會降低整個換熱器的傳熱性能。

(4)折流板缺口區域高效管的殼程傳熱性能高于非缺口區域高效管,而折流板缺口區域光滑的管殼程傳熱性能低于非缺口區域光滑管。

(5)對于文中研究的換熱器,折流板缺口區域高效管的殼程局部傳熱系數明顯高于光滑管,高出值在23%～51%之間。而折流板非缺口區域高效管的殼程局部傳熱系數和光滑管接近,相對差值在4%以內。

(6)高效管在以縱流為主的折流板缺口區域的傳熱性能高于在以橫流為主的非折流板缺口區域的傳熱性能,這是高效管換熱器殼程傳熱性能要高于光滑管換熱器的主要原因。