王定标 ,



 董其伍,

 刘敏珊,

 李培宁
摘　要: 提出采用数值模拟的方法研究纵流壳程换热器,

以克服实验研究方式的不足. 利用相似理论,

确定换热器的数值模拟模型,

分析了各结构参数变化对其传热和流动性能的影响,

结果表明:单排管间布杆、减小折流栅间距、增大管束长径比均有利于传热,

但同时也增大了流动阻力;并利用最小二乘法,

进一步回归出纵流壳程换热器层流下的传热和流动阻力的准数关联式. 显示出采用数值模拟方式对换热器进行研究和开发的显著优点.
关键词: 纵流壳程换热器; 数值模拟; 结构参数; 传热; 流体流动; 准数关联式
　　由于换热器固有的复杂性,

换热器传热理论研究还远远满足不了其应用的需要[1 ] . 目前换热器包括纵流壳程换热器的研究都采用实验方式[2 ,

3 ] . 这种实验方式存在着很多不足,

如实验条件受到限制,

实验费用高,

不易改变模型的结构参数,

有测量误差等. 而数值模拟方式可克服这些不足. 因此,

本文在文献[4 ]的基础上,

应用数值模拟方式进行了较深入研究.
1 　纵流壳程换热器模型
　　根据相似理论[5 ] ,

确定纵流壳程换热器模型,

如图1 所示. 筒体内径Di 为Ф145 mm ,

换热管Ф14 ×2 mm ,

换热管为37 根,

管间距19 mm ,

换热管采用正方形排列,

 折流圈规格Ф143 × Ф134mm ,

折流杆Ф5 mm. 管程通入热流体为100 ℃水蒸气,

壳程分别通入空气或水. 为拓宽其结构参数变化的范围,

本文研究了折流杆布置形式为单排管间布杆或双排管间布杆,

折流圈间距Lb 分别为40 ,

60 ,

80 ,

100 ,

150 ,

200 mm ,

管束长径比Lt/ Di 分别为2 ,

6 ,

9 ,

13 ,

20 的情况. 由于结构的对称性,

可取横截面的1/ 2 进行纵流壳程换热器三维结构的数值模拟计算.
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2 　数值模拟及结果分析
　　对纵流壳程换热器模型进行数值模拟,

可获得换热器内传热和流动的速度场、压力场、温度场,

分析数值模拟结果,

得到纵流壳程换热器各结构参数(单、双排管间布杆、折流栅间距、管束长径比等) 变化对传热和流动性能的影响关系.
2. 1 　单、双排管间布杆的影响
　　图2、图3 为管束长径比(管束长度与壳体直径之比) 为13 ,

单排管间布杆、双排管间布杆对换热器壳程传热性能和流动阻力的影响. 从图2 ,

3可以看出,

在相同的雷诺数( Re) 下,

采用单排管间布杆比双排管间布杆传热性能好,

但其流动阻力降也相应增大. 这是由于采用单排管间布杆时,

同一横截面上折流杆数目增多,

流体流经该截面时,

由于流体绕流,

使其尾流区旋涡增多,

湍动程度加剧,

使管壁上的边界层减薄,

因此提高了壳程流体的传热性能,

同时,

折流杆的增多,

流体流通的截面积减小,

湍动加剧,

由于流体粘性而产生的摩擦阻力损失也增大.
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2. 2 　折流栅间距变化的影响
　　图4、图5 给出了管束长径比为13 时,

折流圈间距对传热及流动阻力的影响关系. 从图4 可见,

在相同的Re 下,

随着折流栅间距的减小,

壳程传热的努塞而特准数Nu 越大,

换热器的传热性能越好. 这是由于流体流经折流栅时,

随着雷诺数的增大,

在杆圈处表面产生边界层分离,

在杆圈表面上下两侧产生的旋涡分离并形成尾流中的卡门涡街,

使管子外表面的边界层减薄,

换热管热量传递的热阻力减小,

有利于传热,

因而,

壳程给热系数增大,

提高了换热器的传热性能. 从图5 可见,

随着折流栅间距的减小,

壳程流动阻力增大,

这是由于折流圈的增多,

尾流区旋涡产生和破裂的程度加剧,

在增大传热的同时,

摩擦阻力也相应增大.
2. 3 　管束长径比的影响
　　图6、图7 表示单排管间布杆、在折流栅间距为60 mm ,

 Re 为2000 时管束长径比对传热和流动阻力的影响. 从图6 可见,

管束长径比对传热的影响很小,

随着管束长径比的增大,

其Nu 数呈现较小的增大. 从图7 可见,

管束长径比对流动阻力的影响基本呈线性关系变化. 随着管束长径比的增大,

流动阻力基本上按线性比例增大.
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3 　准数关联式
　　根据相似理论中的量纲分析法,

推导出换热器壳程传热准数关联式和流动阻力关联式.
Nu = CLRea1 Pra2 ( Lb/ de) a3( Lt/ Di) a4 (μ/ μw) a5 ,

 (1)
ΔP/ (ρUS2) = fReb1 ( Lb/ de) b2 ( Lt/ Di) b3 . (2)
　　式中: Pr 为普朗特准数; Lb 为折流圈间距,

m;Lt 为换热管长度,

m; Di 为壳体直径,

m; de 为定性直径,

m; d0 为换热管外径,

m; Pt 为管间距,

m; cp ,

μ,

λ分别为壳程流体的比热、粘度、导热系数; US 为壳程平行流流速,

m/ s ;ΔP 为流动阻力(或压力降) ,

Pa ; CL ,

 a1～ a5 ,

 f ,

 b1～ b3 为待定值.采用最小二乘法拟合数值模拟结果,

可得其在层流状态下的关联式. 对于单排管间布杆:
Nu =0. 09642 Re0. 6045 Pr1/ 3 ( Lb/ de) - 0. 2156( Lt/ Di) 0. 01276 (μ/ μw) 0. 14 ,

 (3)
ΔP/ (ρUS2) =584. 62 Re- 0. 5937 ( Lb/ de) - 0. 2312( Lt/ Di) 0. 9331 ; (4)
　　对于双排管间布杆:
Nu =0. 09297 Re0. 5953 Pr1/ 3 ( Lb/ de) - 0. 2156( Lt/ Di) 0. 01276 (μ/ μw) 0. 14 ,

 (5)
ΔP/ (ρUS2) =447. 592 Re- 0. 6101 ( Lb/ de) - 0. 2312( Lt/ Di) 0. 9331 . (6)
　　将式(3) ～ (6) 与文献[ 3 ]中的湍流状态下的传热及流动阻力准数关联式联合使用,

大大拓宽了纵流壳程换热器工程开发、设计应用的范围.
4 　结论
(1) 应用数值模拟方式研究了纵流壳程换热器各结构参数的变化对其传热性能和流体流动性能的影响关系. 从数值模拟结果中可知,

采用单排管间布杆、减小折流栅间距、增大管束长径比均有利于传热,

但同时也相应增大了流体流动的阻力.
(2) 利用相似理论,

回归出纵流壳程换热器在层流状态下的壳程传热和流动阻力的准数关联式,

为纵流壳程换热器工程设计提供依据.