流速及傳熱溫差對(duì)換熱器傳熱系數(shù)的影響

王芳+田宇+張新宇+崔璐璐

摘要：針對(duì)換熱器熱交換不充分的問題，研究給定結(jié)構(gòu)殼管式換熱器熱空氣流速以及傳熱溫差對(duì)其傳熱系數(shù)的影響，把不同的傳熱溫差，不同的氣體流速下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，采用控制變量法，分別對(duì)以上兩個(gè)因素的單獨(dú)進(jìn)行分析，做出kΔT，kv的擬合曲線，得到經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。取整個(gè)換熱器為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，運(yùn)用多孔介質(zhì)，kε模型，采用二階迎風(fēng)模式，壓力速度耦合運(yùn)用SIMPLE算法，給出整個(gè)換熱器的溫度場(chǎng)以及傳熱系數(shù)的分布規(guī)律，最終給出以上兩個(gè)因素對(duì)傳熱系數(shù)的影響趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：換熱器，傳熱系數(shù)，流速，傳熱溫差DOI：1015938/jjhust201702006

中圖分類號(hào)： TK124文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1007-2683（2017）02-0029-05Influence on Heat

Abstract：Aimed to insufficient heat transfer of heat exchanger， research the influence on the heat transfer coefficient impacted by velocity and heat transfer temperature difference of tube heat exchanger. According to the different heat transfer temperature difference and gas velocity， the experimental data were divided into group. Using the control variable method， the above two factors were analyzed separately. K-ΔT and k-v fitting curve were done to obtain empirical function. The entire heat exchanger is as the study object， using numerical simulation methods， porous media， k-ε model， second order upwind mode， and pressure-velocity coupling with SIMPLE algorithm， the entire heat exchanger temperature field and the heat transfer coefficient distribution were given. Finally the trend of the heat transfer coefficient effected by the above two factors was gotten.

Keywords：heat Exchanger； heat transfer coefficient； velocity； heat transfer temperature difference

0引言

隨著人們節(jié)能意識(shí)的提高，如何有效及最大限度地利用現(xiàn)有能源，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文針對(duì)給定結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器，在不同的傳熱溫差以及不同熱空氣流速下，分析傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析，做出傳熱系數(shù)與傳熱溫差的分布關(guān)系散點(diǎn)圖以及傳熱系數(shù)與熱空氣流速的散點(diǎn)圖，并進(jìn)行擬合，分析引起其變化趨勢(shì)的原因，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬[1-3]，研究換熱器內(nèi)部的溫度分布[4-6]，分析傳熱溫差和熱空氣流速對(duì)換熱器傳熱系數(shù)[7-10]的影響。

1模型

11物理模型及網(wǎng)格劃分

該管殼式換熱器幾何尺寸為609×609×916 mm，管道采用錯(cuò)列排布，管道數(shù)量為12×19+11×18根，取整個(gè)換熱器為研究對(duì)象，換熱器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。管內(nèi)為冷空氣管外為熱空氣。

熱空氣從側(cè)面橫向沖刷管道，管內(nèi)流通冷空氣，這種流通方式可理想化為逆流。將換熱器分為2個(gè)區(qū)域，網(wǎng)格的劃分采用六面體網(wǎng)格，管壁采用耦合的方法簡(jiǎn)化，計(jì)算時(shí)采用二階迎風(fēng)模式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法[11-12]，穩(wěn)態(tài)求解，最終得到整個(gè)換熱器的湍流流動(dòng)與傳熱耦合計(jì)算的網(wǎng)格獨(dú)立解[13-15]。

12數(shù)學(xué)模型

在v=279 m/s的情況下對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬得到傳熱系數(shù)的云圖如圖4所示：

在平均對(duì)數(shù)傳熱溫差ΔT=733℃通過數(shù)值模擬得到的平均傳熱系數(shù)k1=3098 w/m2K，而由擬合公式所得的結(jié)果為k2=2847 w/m2K，實(shí)際的傳熱系數(shù)為k=2612 w/m2K，誤差Δk1=1861%，誤差 Δk2=899%；可見擬合所得的結(jié)果是比較合理的。將平均對(duì)數(shù)傳熱溫差提高到100倍，其余的條件不變，采用同樣的邊界條件，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到傳熱系數(shù)的云圖如圖5所示。

數(shù)值模擬得到的平均傳熱系數(shù)為k1=3425 w/m2K傳熱系數(shù)增加71%，可見傳熱溫差超出一定范圍后，傳熱溫差的改變對(duì)傳熱系數(shù)的影響是成衰減趨勢(shì)的，僅僅通過提高傳熱溫差是不能很明顯的增加傳熱系數(shù)，且高溫下傳熱對(duì)材料的要求也極高。

4熱空氣流速對(duì)傳熱系數(shù)的影響分析

在分析熱空氣流速對(duì)傳熱系數(shù)的影響時(shí)，首先選定平均對(duì)數(shù)傳熱溫差ΔT在611℃到778℃之間，冷空氣溫升在222℃左右，對(duì)所給數(shù)據(jù)進(jìn)行整理取樣分析，運(yùn)用冪函數(shù)對(duì)其擬合，得到擬合結(jié)果如圖6所示，其中方差Re=1397，擬合度Rs=084，擬合曲線較好[12]，得到的擬合函數(shù)為：

k=11681-12675e-014v（9）

對(duì)式（9）求導(dǎo)，得到d（k）/d（v）=1775e-014v>0，可見伴隨v的升高，傳熱系數(shù)k是不斷升高的，又d2（k）/d（v2）=-249e-014Q<0，故而隨著v的升高，k增大的趨勢(shì)越來越小。取傳熱溫差 ΔT=796℃，冷空氣溫升Δt=366℃，v=279 m/s的情況下對(duì)傳熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的傳熱系數(shù)云圖如圖7所示。通過數(shù)值模擬得到的平均傳熱系數(shù)為k1=4245 w/m2K，通過擬合公式計(jì)算所得到的傳熱系數(shù)k2=4777 w/m2K，實(shí)際的傳熱系數(shù)k=4887 w/m2K，誤差Δk1=1512%，誤差 Δk2=23%，可見擬合結(jié)果是比較合理的。

將熱空氣的流速提高到原來的13倍，其余的條件不變，采用同樣的邊界條件，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到傳熱系數(shù)的云圖如圖8所示：

改變熱空氣的流速，在v=530 m/s時(shí)，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的平均傳熱系數(shù)為k1=4945 w/m2K，傳熱系數(shù)提高了352%，可見提高熱流體的流速可以提高傳熱系數(shù)但是其影響程度是成衰減趨勢(shì)的，而且在高流速的情況對(duì)換熱器的磨損也比較嚴(yán)重。

熱空氣流速對(duì)傳熱系數(shù)影響程度強(qiáng)于傳熱溫差對(duì)傳熱系數(shù)的影響。首先對(duì)比兩個(gè)擬合公式的二階導(dǎo)數(shù)，顯然k″v

5結(jié)論

1）在一定范圍內(nèi)，提高傳熱溫差可以提高傳熱系數(shù)，但隨著傳熱溫差的不斷增加，增加傳熱溫差對(duì)提高換熱器傳熱系數(shù)的影響程度越來越小。

2）在一定范圍內(nèi)，提高熱空氣側(cè)的流速是可以提高傳熱系數(shù)的，但是隨著熱空氣側(cè)的流速不斷增加，傳熱系數(shù)增加的趨勢(shì)不斷減弱。

3）只從理論上分析，熱空氣流速的大小與傳熱溫差的大小對(duì)傳熱系數(shù)的影響程度相比而言，前者的影響程度要大于后者。

4）在對(duì)換熱器的傳熱系數(shù)進(jìn)行研究時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)來分析傳熱系數(shù)時(shí)，是可以采用曲線擬合和數(shù)值模擬綜合的方法進(jìn)行分析的。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]LIU，Qing Jiang；HAN，F(xiàn)angStudy on the Effect of the Evaporator Area on the Heat Transfer Performance in the Gravity Feed Liquid Refrigeration System[J] Machinery Electronics and Control Engineering III，2014，441（9）：112-115

[2]KIM S J，KIM D，LEE D Y On the Local Thermal Equilibrium in Microchannel Heat Sinks[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（8）：1735-1748

[3]KANARIS A G，MOUZA A A，PARAS S V Optimal Design of a Plate Heat Exchanger with Undulated Surfaces[J].International Journal of Thermal Science，2009，48（6）：1184-1195

[4]涂福炳，武薈芬 徑向熱管換熱器殼程數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，43（05）：1975-1983

[5]付磊，唐克倫 管殼式換熱器流體流動(dòng)與耦合傳熱的數(shù)值模擬[J]. 化工進(jìn)展，2012，31（11）：2384-2389

[6]BHUTTA Aslam M M，HAYAT N，BASHIR M H，et al.CFD Application in Various Heat Exchanger Design：a Review [J].Applied Thermal Engineering，2012（32）：1-12.

[7]ZHANG L，CHE D FInfluence of Corrugation Profile on the Thermal Hydraulic Performanceof Crosscorrugated Plates[J].Numerical Heat Transfer，Part A，2011，59（4）： 267-296.

[8]高小龍，劉玉洪 流體流速對(duì)鈦板板式換熱器總換熱系數(shù)的影響[J]. 煤氣與熱力，2014，34（10）：13-15

[9]王雪山，張健 折流板換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱特性數(shù)值模擬[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（6）：8-11

[10]朱冬生，毛瑋 多孔介質(zhì)模型在板翅式換熱器數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J]. 流體機(jī)械，2012，40（4）：63-67

[11]路義萍，湯璐 隱極同步電動(dòng)機(jī)冷卻空氣流場(chǎng)特性研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（15）：86-91+12

[12]路義萍，洪光宇 多風(fēng)路大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)三維流場(chǎng)計(jì)算[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（3）：133-139+6

[13]張晶，文玨 基于計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的板式換熱器傳熱與流動(dòng)分析及波紋參數(shù)優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程學(xué)學(xué)報(bào)，2015，51（12）：137-145

[14]王芳，郭瑞倩 空冷發(fā)電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)分布與試驗(yàn)對(duì)比[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013，17（12）：46-50

[15]王芳，董惠 大型汽輪發(fā)電機(jī)定子變結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，18（06）：95-99

[16]付磊，曾燚林 管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬[J]. 壓力容器，2012，29（5）：36-41

[17]劉洋，李宏 關(guān)于weierstrass逼近定理的幾點(diǎn)注記[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2009，39（02）：208-211

[18]王炳杰，趙軍鵬，王春潔 基于三維最小二乘方法的空間直線度誤差評(píng)定[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40（10）：1477-1480

[19]鄒龍生，謝加才 水平管降膜蒸發(fā)器綜合傳熱系數(shù)研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（S1）：175-180

[20]杜小澤，楊立軍，等 火電站直接空冷凝汽器傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（14）：32-37

（編輯：王萍）