因此, 本文通过合理简化, 建立管壳式换热器的 实体模型, 从整体结构上研究管壳式换热器壳程流 体的流动和传热特性, 并分析壳程流体在不同流速、 不同介质以及管壳式换热器在不同折流板间距下, 进出口段对于壳程流体的 流动和传热特性 的影响 长度.
1 理论基础
对于具有周期性结构特征的模型, 周期性充分 发展区域具有以下特征 [ 7] :
出口段对壳程流体流动和传热周期性充分发展段的影 响长度 不随壳 程流体 性质、流动速 度的变 化而变化; 随 着折
流板间距与筒体内径的比值增大而增大.
关键词: 管壳式换热器; 数值模拟; 进出 口段; 充分发展段
中图分类号: TK 172
文献标志码: A
文章编号: 1671- 7627( 2009) 05- 0052- 06
为了验证本文模型计算结果的正确性, 利用现 有的实验条件进行换热器的传热性能实验, 根据实 验模型换热器的结构尺寸建立整体模型, 依照实验 操作条件, 对整体模型进行数值模拟, 将模拟结果与 实验结果进行对比, 结果如表 2所示.
表 2 实 验值与模拟值比较 T able 2 Compa rison results between num erica l simulation and experimen ts
周期的努塞尔数 Nu 都相等.
N u = de = const
( 5)
式中: 为换热系数; de 为当量直径; 为流体导热系数.
= Q = cpm (T i - T o ) = cpm ln T i - Tw = const
A Tm A T i - T o
A T o - Tw
lnT i - Tw
T o - Tw
第 5期
王 丹等: 管壳式换热器壳程特性数值模拟
53
地促进了换热器技术的深入研究和新型换热设备的 开发应用.
在管壳式 换热 器数 值模 拟研究 方面, 国 内 外 学者对于管壳式换热器壳 程的研究所采用的数 值 模拟模型大多依然采用英国学者 Pa tankar和 Spa-l d ing 于上世纪 70年代提出的 多孔介质模型 [ 1 ] , 随 后又出 现了周 期性 模型 [ 2- 5 ] 、实体 模型 [ 6 ] 等 模 拟 方法, 但是这些方法都有一定的局限性.
A bstract: Num erical simu lations for the she l-l and-tube hea t exchanger w ere carr ied ou t using the physical m odel w ith the CFD ( com putationa l flu id dynam ics) so ftw are FLUENT. T he characterist ics o f the fluid flow and the heat transfer in the shell side under d ifferent condit ions w ere ana lyzed. T he three m a in characterist ics such as pressure grad ien,t d im ensionless tem perature and ve loc ity w ere selected to ascertain the length o f period ic fully developed section o f the shel-l and- tube heat exchanger. Som e in fluence factors including flu id m ed ium, flu id velocity in the shell side, and baffle pitch w ere ana lyzed. T he affect ing length of the in let section and the ou tlet section on the fluid flow and the heat transfer is independent from the flu id physica l propert ies, the fluid velocity in the shell side increases w ith the increase of the ratio of the baffle pitch to the distance of the inner d iam eter o f the shel.l K ey words: shel-l and- tube heat exchanger; num erica l simu lation; in let section and outlet section; fully developed section
于管壳式换热器壳程的流体流动与传热性能进行数 值模拟 研究. 利用判 断周期性 充分发 展段的 3个主要 特征, 分
别从压力差、无因次温度、速度 3个方面, 分析具有不同流体 速度、不同流体介质、不同折 流板间距 时几种折流 板管
壳式换热器模型的进出口段对于壳程流体流动与传热性能的影响. 结果表明, 管 壳式换热器 结构一定 的情况下, 进
第 31卷第 5期 2009年 9月
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) JOU RNAL OF NAN JING UN IVER SITY OF TECHNOLOGY ( N a tura l Sc ience Ed ition)
do :i 10. 3969 / .j issn. 1671- 7627. 2009. 05. 011
898
0 06 - 26 97
3
10 0
388 15 1 055 388 90
737
0 19 - 30 18
u ( r) = u ( r + L ) = u ( r + 2L ) =
( 1)
v ( r) = v( r + L ) = v( r + 2L ) =
( 2)
w ( r) = w ( r + L ) = w ( r + 2L ) =
( 3)
式中: r为流体质点位置矢量; L 为周期段长度矢量;
u、v、w 分别是 x、y、z 3个方向的速度.
图 1 模型网格图 F ig. 1 M eshes o f num erical sim ulation model
2 3 边界条件设定 本文模型中的流体流动均在湍流状态下, 因此在
计算过程中采用离散求解器和 k - 湍流模型, 打开 能量方程. 壳程流体采用速度进口, 流体初始温度为 288 K; 换热管管壁设为恒壁温 383 K; 壳体壁面、接管 壁面、各折流板面、两侧管板均设为绝热面边界条件; 本模型操作条件为标准大气压, 将出口设定为压力值 为 0 P a( 表压 ) 的压 力出 口. 压力 和速度 耦合采 用 S IMPLE算法, 动量和能量方程离散采用二阶迎风差 分格式. 采用标准化残差的形式来判断计算方程的收 敛性, 残差精度分别取: 连续性方程、动量方程及 k、 方程残差均为 10- 3, 能量方程残差为 10- 6 [ 11] . 2 4 模型验证
筒径内径 / mm
筒体长度 / mm
换热管外径 / mm
折流板间距 / mm
折流板高度 / mm
50
1 47
9 34
19
75
11 1
100
54
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
第 31卷
2 2 网格划分 由于模型是轴对称结构, 因此为了减少总网格
数量、提高计算速度, 从模型的轴对称面处截开, 取 一半的模型进行模拟计算, 截面采用对称面边界条 件即可. 根据本模型的结构特点, 计算区域采用分块 划分、结构化和非结构化网格相结合的方式进行网 格划分, 模型网格图如图 1所示. 对于同一个模型, 在边界条件相同的情况下, 对网格划分进行考核, 对 现采用的网格进行加密, 比较加密网格后和加密网 格前所计算的壳程压降及温度变化结果, 确保所得 计算结果是网格独立的解.
收稿日期: 2009- 05 - 03 基金项目: 河南省杰出人才创新基金项目 ( 0621001600 ) 作者简介: 王 丹 ( 1983 ) , 女, 河南安阳人, 博士生, 主要研究方向为过程传热与节能技术; 董其伍 ( 联系人 ), 教授, E-mai:l qwdong@ zzu. edu. cn.
V o.l 31 N o. 5 Sep. 2009
管壳式换热器壳程特性数值模拟
王 丹, 董其伍, 刘敏珊
(郑州大学 河南省过程传热与节能重点实验室, 河南 郑州 450002)
摘 要: 通过合理简化, 建立管壳式换热器的实体模型, 用大型 CFD ( computational flu id dynam ics)软件 FLU ENT 对
定管壳式换热器进出口段对于壳程流体流动和传热
特性的影响长度.
2 模型的建立
2 1 模型的简化 根据管壳式换热器经典设计准则 [ 8 - 9 ] , 本文模
型的主要结构尺寸如表 1所示.
流体 介质
水/ 空气
流体 Re /104
05 10 15 20
表 1 模型几何结构尺寸、流体介质及 R e T able 1 G eom etrical parameters
换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、 制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通 用设备. 管壳式换热器具有制造简单、维护方便、适 应性强、处理量大、工作可靠、能适应高温高压等优
点, 是目前国内外换热设备的主要结构形式. 随着计 算机的飞速发展, 以计算机仿真模拟技术、先进流体 测量技术等为代表的现代研究设计方法, 已经成为 传热研究中观察显示物理特性的强有力工具, 极大