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换热器壳体的三维数值模拟与场协同分析

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-08-11 21:29:49 * 浏览: 0
lt,DIValign = centergt,lt,FONTface = Verdanagt,换热器壳侧的三维数值模拟和场协同分析lt,BRgt,孔松涛,董其武,刘民山lt,BRgt,(热能工程郑州大学研究中心)lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp摘要:为了分析热交换器的整体场协同作用,利用多孔介质分布阻力模型和换热器芯模型,利用三维数值计算方法研究了管壳式换热器的流动和传热,并分析了壳侧之间的关系。换热器的场协同角和传热效率,以及壳侧的纵向和横向流动的场协同角随流速而变化。法律为优化热交换器的设计提供了理论基础。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp关键字:换热器壳侧现场协同数值模拟优化lt,/ FONTgt, ,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTface = Verdanagt,nbspIntroduction lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTface = Verdanagt, nbsp 1998年,郭增元教授从二维边界层的能量方程出发,提出了场协同理论8943。随后,这种分析扩展到了文献中的椭圆流和热传递[2],证明了对于具有Prandfl数不是非常小,减小速度矢量和温度梯度之间的角度也有效地增强了椭圆对流换热。措施。文献[3]在传统挡板式换热器的现场协同研究中也进行了有益的探索。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp从当前文献来看,管壳式换热器的数值计算通常使用“单位流量”模型基于多孔介质模型的整体仿真但是,这两个模型在热交换器的整体场协调计算中存在某些缺陷:尽管“单元流道”模型可以表达热交换器的压降,流动特性和传热特性,但它缺乏整体温度。场,并且由于使用了周期性模型条件,它无法计算常见的可变管壁温度条件,因此尽管基于多孔介质模型的介质模型可以反映出整个热交换器的场协同关系,但它不能反映整个热交换器的场协同关系。理想情况下,能量方程的源项很难正确估计,从而导致较大的计算误差,无法准确反映实际情况。鉴于这两个模型的局限性,笔者采用多孔介质分布阻力模型作为换热器壳侧流场计算模型,并以换热器芯模型作为能量方程模型,很好地解决了上述问题。 。换热器核心模型还可以解决多管通过和多管壳通过的换热器仿真问题,为工程研究提供有用的研究方法。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp理论基础和模型lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp1。多孔介质分配阻力模型lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp鉴于现有的计算机软件和硬件条件,实际的外壳热交换器模拟过程的流动和传热是不现实的。 1974年,Patankar和Spalding提出了多孔介质中分布阻力的概念,并完成了热交换器壳侧流场的模拟。后来,发表了许多论文来发展这一思想,它已成为对换热器壳侧流进行整体模拟的主要方法。多孔介质的动量方程是通过将动量源项加到标准动量方程中获得的。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp上式的负号表示动量源项与流体流动方向相反,Si是X中的动量源项,y和z方向,方程的右项是粘度损失,第二项是内部损失项。 D和C分别是特定矩阵。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp2。换热器的核心模型lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp为了计算热交换器壳的传热,传热管和壳侧的实际传热。在热交换器的核心模型中,将计算区域中的流体定义为主流体,将进行热交换但未在流量计算中反映的流体部分定义为辅助流体。在本文中,将壳侧流体定义为主流体,而管侧流体定义为辅助流体。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp在热交换器的工作过程中,整个热交换器中的传热不是恒定变化的。换热器的核心模型沿流体流动方向将流体区域划分为多个传热单元,计算每个换热单元的流体进,出口温度和传热,并获得整个换热器的传热分布。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp数值模拟方法lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt ,lt,DIVgt,lt,FONTface = Verdanagt,数值模拟以折流板,折流板杆和螺旋折流板换热器壳侧为例,建立了多孔介质阻力模型和换热器芯模型。三种模型代表了管壳式热交换器的典型壳侧流动条件。为了便于验证仿真结果的正确性,在实验室现有的折流板和折流板换热器的基础上,建立了计算模型。由于缺乏螺旋折流板换热器的测试平台,在与实验室换热器相同的条件下建立了模型,计算结果可供参考。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp测量了10组实验数据。使用多孔介质和换热器芯模型计算,图2显示了折流板换热器的测试结果与模拟结果之间的比较。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp可以看出仿真数据和测试数据基本上与多孔岩心模型一致介质和热交换器可以更准确地反映管壳式热交换器的壳侧压降和流体温度升高。由于折流板与换热管,折流板与壳体之间存在差异,因此模拟压降值高于实验值。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp显示了折流板式换热器的测试和仿真结果。从表1和图2可以看出,多孔介质阻力模型和换热器芯模型可以客观地反映实际情况,尤其是换热器芯模型,与实验结果非常接近,计算精度为比其他方法更好。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp示例,结果和分析lt / FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp对几种工作条件下的三种管壳式换热器进行了数值计算,并通过自编程提取了速度场与温度梯度场之间的角度关系。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp折流板和折流板换热器壳侧场配角随流动趋势而不同。随着流量增加,前者变得更糟ses,而后者恰好相反。随着流量的增加,这种趋势趋于逐渐趋于平坦;螺旋挡板也随着流量的增加而改善了场协同关系,这可能与螺旋挡板与强纵向流量有关。可以看出,纵向流更适合较高的流速,而横向流更适合较低的流速。文献[8]证明了纵向流具有良好的热力和水力效率,这也可以通过场协同关系得到很好的解释。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp在热交换器核心模型中,传热效率的定义代表每次传热的热效率定义公式是使用多孔介质和换热器芯模型计算在役U型折流板换热器。主要工艺参数如表3所示。换热单元的划分如图1所示。计算并分析换热单元效率与壳侧场协同角之间的关系。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp显示了传热单元的效率与场协同角之间的关系。由于单元0-9是逆流而单元10-19是下游,因此传热效率的差异是明显的,并且相应的场配角也显示出相应的规律。可以看出,在热交换器的壳侧流动和传热中,分析场协同角关系有助于优化热交换器的壳侧设计。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbspConclusion lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt ,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp(1)由各向异性多孔介质和换热器核心模型组成的换热器的整体三维模型可以很好地预测壳侧的压降,并且不准确解决了多孔介质对热交换器的传热预测问题。与以前的文献中使用的数值模拟方法相比,作者提出的算法更加合理,并且与其他模拟复杂的热交换设备的方法(如多管和壳侧)无可比拟。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp(2)结合实验分析了场协同角与壳体流速之间的关系。管式换热器,发现小流量下水平流具有更好的协同关系,大流量下垂直流是更好的选择。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp(3)分析传热单元与场协同角之间的关系,并指出结构哪些部分需要改进。增加导流管等措施可以提高换热器场的协同作用,提高换热效率,为优化换热器的设计提供坚实的基础。 lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp本文来自:中国热交换网Netlt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,