油封低溫冷卻器折流板開孔的傳熱性能

鄭小濤，徐 成，喻九陽，林 緯，彭常飛

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

換熱器廣泛應(yīng)用于能源、石化、制冷空調(diào)、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行業(yè)領(lǐng)域中，并在其中占有相當(dāng)大的投資比例[1-4].通過改進(jìn)換熱器的結(jié)構(gòu)和換熱管型以及通過增加流體的擾動(dòng)來提高換熱器的換熱效率，對高效換熱器的設(shè)計(jì)與研發(fā)有很大作用，對節(jié)能減排與提高能源利用率也有重大意義.單弓形折流板能使殼程流體橫向沖刷管束，具有顯著提高殼程的傳熱系數(shù)的作用，從而提高換熱器的整體傳熱性能.同時(shí)殼程的壓降也大大增加，且在折流板背面存在流動(dòng)死區(qū).對如何有效的利用折流板來提高換熱器的傳熱系數(shù)并滿足壓降要求具有很大的實(shí)際意義.下面分析折流板開孔對油封低溫冷卻器傳熱性能的影響，以及提高換熱器的綜合換熱性能.

1 分析模型

油封低溫冷卻器用于C6(一種碳?xì)湮锎?hào))的冷卻，屬于單弓形折流板管殼式換熱器.其管程為低溫冷卻水，入口溫度為5 ℃；殼程為碳?xì)湮铮肟跍囟葹?0 ℃，其物理性質(zhì)及初始條件如表1所示.油封低溫冷卻器采用單弓形折流板，弓缺25%，殼體內(nèi)徑273 mm，換熱管外徑20 mm，管心距32 mm，采用90°布管方式.

表1 殼程流體物理性質(zhì)Table 1 The shell pass fluid physical properties

2 數(shù)值計(jì)算方法

利用Fluent軟件對油封低溫冷卻器折流板開孔進(jìn)行數(shù)值模擬，分析換熱器內(nèi)部流場圖、溫度分布圖與壓降圖，為實(shí)驗(yàn)提供了充分的理論依據(jù).

分析過程中，采用選用FLUENT 3D單精度求解器，非耦合穩(wěn)態(tài)隱式(simplec)求解；選擇雙方程的Standardk-ε Model(湍流模型)和 Standard Wall Functions(標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法)[5].

邊界條件：

(1)管壁：constant temperature wall；溫度 278 K；

(2)入口：velocity inlet；速度0.4 m/s和 0.6 m/s；溫度 443 K；

(3)出口：outflow；

(4)殼體壁面：wall no-slip(速度無滑移).

設(shè)置殘差監(jiān)視器和流場初始化后，開始迭代計(jì)算，保存case和data文件，最后進(jìn)行結(jié)果后處理.在計(jì)算過程中，設(shè)置了4、6、8、10、12塊不同的折流板數(shù)，其間距分別為400 mm、260 mm、200 mm、170 mm、130 mm.以入口速度為0.4 m/s和0.6 m/s這兩種不同入口速度下進(jìn)行了模擬，把折流板開孔與未開孔進(jìn)行了對比.

圖1 折流板開孔建模圖Fig.1 Perforated baffle model

圖2 殼程建模圖Fig.2 The shell pass model

3 結(jié)果與討論

3.1 開孔前流場分析

圖3 V=0.4 m/s折流板數(shù)6時(shí)未開孔溫度云圖Fig.3 The temperature field cloud diagram of none perforated baffle under V=0.6 m/s and number of baffle is 6

圖3為入口速度為0.4 m/s，折流板數(shù)為6時(shí)的溫度云圖.從溫度云圖可以看出折流板背部溫度較高，這是由于折流板背部死區(qū)存在漩渦，導(dǎo)致局部溫度升高.折流板背部流動(dòng)速度較低，存在死區(qū)，解釋了折流板背部溫度較高的現(xiàn)象.在單弓形折流板管孔間開孔，使殼程在折流板側(cè)形成一定量的縱向流可以弱化甚至消除折流板側(cè)的滯流區(qū)，并增大流體湍流程度，從而強(qiáng)化傳熱并降低流阻[6].

3.2 折流板開孔后壓降與傳熱系數(shù)的變化

當(dāng)入口速度為0.4 m/s時(shí)，其折流板數(shù)與壓降關(guān)系如圖4所示，折流板數(shù)與傳熱系數(shù)的關(guān)系如圖5所示.壓降隨著折流板數(shù)增加而增加，折流板開孔與不開孔相比較，開孔后的折流板，其殼程壓降明顯降低，并隨著折流板數(shù)的增加，降幅增加，最大達(dá)到50.4%(見圖4).壓降的降低，將減少外部額外動(dòng)力的輸入，保證輸出動(dòng)力滿足工業(yè)要求.同時(shí)，殼程傳熱系數(shù)隨著折流板的增加而增大，但折流板開孔后與未開孔相比較，折流板開孔后傳熱系數(shù)有所下降，但下降幅度明顯低于壓降下降幅度，其最小降低9.4%，最多降低19.6%，且隨著折流板數(shù)增加殼程傳熱系數(shù)降幅增加(見圖5).

圖4 V=0.4 m/s折流板數(shù)與壓降關(guān)系圖Fig.4 The relationship diagrams of baffled numbers with pressure drop under V=0.4 m/s注： 折流板開孔； 折流板未開孔

3.3 利用開孔后特性提高傳熱系數(shù)

圖5 V=0.4 m/s折流板數(shù)與傳熱系數(shù)關(guān)系圖Fig.5 The relationship diagrams of baffled numbers with the heat transfer coefficient under V=0.4 m/s注：開孔；未開孔

圖6 V=0.4 m/s時(shí)同壓降下傳熱系數(shù)對比Fig.6 When V=0.4 m/s and equal pressure drop,heat transfer coefficient compared注：開孔；未開孔

同樣，隨著入口流速的增加，當(dāng)殼程入口速度提高為0.6 m/s時(shí)，其壓降與傳熱系數(shù)均上升，上升趨勢與入口速度為0.4 m/s一致.在折流板開孔并增加殼程折流板數(shù)與折流板未開孔相比較,相同壓降下傳熱系數(shù)變化如圖7所示.

圖7 V=0.6 m/s同壓降下傳熱系數(shù)對比Fig.7 Heat transfer coefficient compared underV=0.4m/s and equal pressure drop注：折流板開孔；折流板未開孔

4 結(jié) 語

利用CFD技術(shù)，采用Fluent軟件對于油封低溫冷卻器折流板開孔進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論.

a. 折流板開孔后，有效改善折流板背部死區(qū)現(xiàn)象，大大降低殼程壓降，最大可以降低50.4%.

b. 折流板開孔后，隨著壓降的大幅度降低，其殼程的對流傳熱系數(shù)也在降低，但降低的幅度小于壓降降低幅度.

c. 開孔后增加折流板在滿足壓降的要求的情況下傳熱系數(shù)可以提高，最大提高22%，最低降低8.7%.油封低溫冷卻器折流板開孔對提升單弓形折流板管殼式換熱器性能有明顯的提高，并利用其壓降有較大降幅的特點(diǎn)，提高總體傳熱系數(shù)，達(dá)到提高換熱器的性能的目的.

參考文獻(xiàn)：

[1] 林宗虎.強(qiáng)化傳熱其工程應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

[2] 史美中.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].南京:東南大學(xué)出版社,1995.

[3] 顧維藻.強(qiáng)化傳熱[M]. 北京：科學(xué)出版社,1990.

[4] 吳峰，李青.熱聲理論的研究進(jìn)展[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2012,34(1):1-6.

[5] 王為良.管殼式換熱器殼側(cè)流場數(shù)值模擬[D].北京：中國石油大學(xué)，2010.

[6] 喻九陽,王澤武.單弓形折流板開孔試驗(yàn)研究[J].石油化工設(shè)備，2004:33(2): 4-6.

[7] 明廷臻，周程，劉偉.管內(nèi)填充環(huán)狀金屬多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱優(yōu)化分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(3)：62-66.

[8] 黃曉艷，王華. R245fa傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(3):67-71.