墊條對纏繞管換熱器殼側性能的影響研究

文鍵,童欣,楊輝著,王斯民,厲彥忠

(1.西安交通大學能源與動力學院,710049,西安;2.西安交通大學化學工程與技術學院,710049,西安)

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墊條對纏繞管換熱器殼側性能的影響研究

文鍵1,童欣1,楊輝著1,王斯民2,厲彥忠1

(1.西安交通大學能源與動力學院,710049,西安;2.西安交通大學化學工程與技術學院,710049,西安)

目前針對纏繞管換熱器的數值模擬研究中,大多為了簡化模型而省略了管層間的墊條,造成模擬結果偏離實際情況。通過CFD數值模擬,著重研究了纏繞管換熱器中墊條的存在及不同的排布方式和數量對換熱器殼側的流動、傳熱性能的影響。計算結果表明,墊條的存在不僅影響流體軸向流速,并且在徑向截面上更易形成渦旋而加強流體擾動。在相同進口工況下,相比無墊條模型,墊條對齊排布時Nu下降了1.6%～2.5%,換熱器單位長度壓降ΔPl增加了14.5%～17.0%,強化傳熱性能指標FP減小了5.7%～5.9%;錯開排布時Nu上升了17.0%～18.1%,ΔPl增加了38.4%～39.9%,FP增加了13.7%～15.4%。兩種墊條排布方式中錯開排布能夠在更大程度上強化殼側的湍流,從而強化傳熱。當墊條數量多于12,依次為13、14、15時,對換熱器殼側的性能影響不大。所做研究為纏繞管換熱器的數值模擬提供了新的思路,也為纏繞管換熱器的性能優化提供了理論參考。

纏繞管換熱器;墊條;湍流強化;壓降

纏繞管換熱器是一種典型的管殼式換熱器,它由換熱盤管纏繞中心筒組成,相鄰兩層管螺旋方向相反。換熱管內流體按照螺旋形式流動,從而出現二次環流強化換熱,殼側流體在換熱管外和內外殼體間的空隙交叉流動,不斷分離匯合,形成旺盛湍流。纏繞管換熱器以其結構緊湊、耐高壓、換熱效率高和較低的投入費用等優點在核能、低溫甲醇洗工業以及LNG液化天然氣中得到廣泛應用[1]。Neeraas等對殼側的換熱性能進行了數百種工況的實驗研究,使用了多種實驗工質,研究了氣液單相換熱以及兩相混合換熱[2-3],為其他學者的相關研究提供了可靠的實驗數據參考,并且推薦了適用于各工況的數據處理方法和經驗公式。Lu等以空氣為工質實驗測試和數值模擬了一套3層的纏繞管換熱器在恒定功率電加熱條件下的殼側流動及傳熱特性[4-5],對比研究了定壁溫、定熱流邊界條件以及考慮管內流動的傳熱耦合邊界條件對計算的影響,在多數情況下用定壁溫邊界條件進行計算,得出了努塞爾數Nu及摩擦因子f關于雷諾數Re的經驗關聯式。Zeng等對纏繞管換熱器進行了數值建模,分析了換熱器的各幾何參數對流動及換熱的影響[6],指出了RNGk-ε湍流模型在計算螺旋繞流時有更高的計算精度,并根據所得模擬結果對各幾何參數變化的影響大小進行了評估,得出了Nu、f關于若干影響較大參數的經驗關聯式。文獻[7-9]利用對稱和周期性邊界條件對纏繞管換熱器數值模型進行了簡化,計算得出了殼側流體通道內制冷劑的壓力、速度及溫度分布,研究了纏繞管換熱器的各幾何參數對殼程換熱性能的影響,并提出了改善換熱性能的建議。但是,目前多數研究中均為簡化模型而忽略了管層間墊條的影響,為了使數值計算更接近實際情況,本文重點研究在相同工況下墊條、墊條排布方式、墊條數量對纏繞管換熱器殼側流動和傳熱性能的影響。

1 纏繞管換熱器的物理模型及數值模擬方法

1.1 物理模型的建立

纏繞管換熱器計算模型軸測如圖1所示,建立了有墊條和無墊條的物理模型,其中換熱管層數為兩層,管層間的墊條采用工業上較為常用的圓柱形金屬絲,換熱器的軸向剖面視圖如圖2所示。本文采用的流體通道的當量直徑為4倍殼側流通體積與傳熱表面積之比[10]

(1)

(a)無墊條 (b)有墊條圖1 纏繞管換熱器計算模型軸測圖

圖2 纏繞管換熱器的剖面視圖

1.2 基本方程和數值方法

經過重整化群處理的RNGk-ε湍流模型能更好處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動,從而提高螺旋流的預測精度[6]。本文采用RNGk-ε湍流模型,基本方程包括質量、動量、能量方程,表達式如下

連續性方程

ui)=0

(2)

動量方程

(3)

能量方程

(4)

湍動能方程

ε

(5)

湍動能耗散方程

(6)

模型計算按照LNG液化時的冷卻工況設置,此工況下殼側的換熱為液態乙烷單相換熱,假定其物性恒定;流體入口為速度進口,乙烷進口溫度為143 K,出口為壓力出口邊界條件;管壁采用定壁溫邊界條件[4],溫度設為220 K;殼體和墊條均按無滑移絕熱壁面處理。壁面函數為默認的標準壁面函數,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,動量和能量方程均為二階迎風格式,各項殘差均設為1×10-6。

模型結構由SolidWorks建立,網格采用ICEM生成的非結構化網格,模型進出口均設置了延長段以防止回流的影響,網格示意圖如圖3所示。為保證計算結果準確,對無墊條模型進行了網格無關性驗證,結果如圖4所示。由圖4可知,在網格數大于2 365 999之后,換熱器的努塞爾數Nu的變化小于0.9%,換熱器單位長度壓降ΔPl小于4.5%,模型的網格數為2 365 999,本文中所有模型的網格數為2 365 999～5 877 031。

圖3 纏繞管換熱器網格示意圖

圖4 兩層無墊條模型網格無關性驗證

1.3 數學模型的實驗驗證

為了保證數值計算的準確,本文對文獻[2]中的實驗進行了數值模擬,實驗工況為甲烷單相換熱,模擬結果和實驗數據對比如圖5所示。計算所得的Nu與實驗值的平均誤差為9.9%,換熱管單位長度壓降ΔPm的平均誤差為12.4%。除了不可避免的計算誤差之外,數值模擬與實驗值的誤差主要來源于對模型的簡化,Nu較實驗值偏高主要是因為數值模型將內外殼體設置為絕熱壁面,不計漏熱損失。數值模型采用定物性計算,不考慮氣體被加熱后密度的降低所造成的ΔPm值偏高,實驗數據測量中也會帶來一定誤差,因此數值模擬結果是正確的。

(a)Nu

(b)ΔPm圖5 數值模擬與實驗值對比

2 數值計算

2.1 計算模型的幾何參數

纏繞管換熱器墊條的數量需根據換熱器的尺寸來進行選取,選取原則如表1所示[11]。為研究墊條的存在及排布方式對換熱器性能的影響,

分別對圖

6所示的墊條對齊及錯開排布方式進行建模計算,本文采用的計算模型的幾何參數如表2所示。計算模型的外層纏繞直徑均小于500 mm,每層換熱管的墊條總數取為12。

(a)對齊排布 (b)錯開排布圖6 兩層纏繞管模型墊條排布方式俯視圖

參數取值換熱管外徑Dt/mm12纏繞層數N2第1、2層換熱管數4、5軸向管間距l/mm4墊條直徑B/mm3中心筒體直徑Dc/mm140外殼直徑Ds/mm206換熱部分高度H/mm320

2.2 數據處理

纏繞管換熱器的常用最小流通面積公式為[12]

(7)

殼側最大流速vmax可用質量守恒求得,殼側雷諾數Re的計算式為

(8)

熱力計算式為

(9)

(10)

(11)

式中:N為換熱管層數;B為墊條厚度;ρ為流體密度;Dh為當量直徑;μ為動力黏度;h為傳熱系數;m為殼側流體質量流量;cp為比定壓熱容;T為溫度;Δtm為對數平均溫差;λ為導熱系數。

換熱器單位長度壓降和摩擦因子為

(12)

(13)

式中:ΔP為進出口壓差;L為換熱器有效換熱段的長度。

3 計算結果分析與討論

3.1 殼側流場分析

3.1.1 墊條及排布方式對殼側軸向流動的影響 纏繞管換熱器的殼側流動復雜,流體在換熱管和殼體的間隙中不斷地分離匯合,湍流旺盛。流體在殼側進行軸向流動時主要分為:沿相鄰管層和殼體間空隙的軸向主流流動;同層管排間的低流速交叉流動。當存在墊條時,墊條與換熱管之間沿軸向的狹窄區域易形成流體滯留區域和渦旋,使得墊條所在區域的軸向主流流速降低,并且造成壓降的提升及換熱能力的下降,墊條截面剖視圖如圖7所示。相比無墊條模型,有墊條時殼側的流動區域變窄,會使得軸向流速有所提升。

(a)對齊排布 (b)錯開排布圖7 墊條截面剖視圖

選取位于墊條附近的無墊條軸向截面進行研究,當進口流速vin=1.5 m/s時截面速度和溫度分布云圖如圖8、9所示。

(a)無墊條(b)對齊排布(c)錯開排布圖8 vin=1.5 m/s時截面速度分布云圖

(a)無墊條(b)對齊排布(c)錯開排布圖9 vin=1.5 m/s時截面溫度分布云圖

由圖8可知,相比無墊條模型,對齊和錯開排布模型的管層間流速均有增加,其中錯開排布模型的增幅更加明顯。墊條使殼側流體區域變小軸向流速得到提升,并且排布方式不同對軸向流速的提升效果也不同。對齊排布時墊條處低流速區域和無墊條處的高流速區域沿徑向依次對應,無加強流體擾動的趨勢;錯開排布時墊條處的低流速區域對應相鄰無墊條處的高流速區域,低流速區域的流體因黏性力作用流向高流速區域,增強了管排間交叉流動,減薄了換熱管壁的邊界層,強化了湍流。由圖9可知,對齊排布模型和無墊條模型的溫度分布差別不大,而錯開排布模型的流體邊界層厚度比前兩者更薄,而且流體在流經相同的管排數后溫度的變化幅度更大。這說明對齊排布模型軸向流速的小幅提升對殼側的換熱效果影響不大,而錯開排布模型在軸向流速及換熱能力方面均有較大程度的提升。

3.1.2 墊條及排布方式對殼側徑向流動的影響 流體沿徑向截面做湍流旺盛的螺旋流動,各模型在徑向z=150 mm、vin=1.5 m/s時的截面速度分布云圖和流線圖如圖10、11所示。

(a)無墊條 (b)對齊排布 (c)錯開排布圖10 z=150 mm、vin=1.5 m/s時殼側徑向截面速度云圖

(a)無墊條 (b)對齊排布 (c)錯開排布 圖11 z=150 mm、vin=1.5 m/s時殼側局部流線分布圖

由圖10可知,與無墊條模型相比,對齊排布模型的整體速度分布相差不大,低流速區域相對較多,而錯開排布模型的徑向流速明顯增大。由圖11可知:無墊條模型有兩個緊挨的渦旋正在形成;在對齊排布模型中的相同區域也有渦旋形成并且在墊條附近存在另一正在耗散的渦旋;在錯開排布模型中渦旋數量達到3個,2個正在形成而1個正在耗散。這說明在墊條附近由于流體脫離壁面而更易形成渦旋,并且錯開排布的渦旋數量多于對齊排布。沿徑向旋轉的渦旋能夠加強流體擾動和強化換熱,當流線匯集形成渦旋時也會使得附近區域的軸向流速進一步提高。錯開模型中有相對較多正在形成的渦旋,對軸向流速的提升作用更為顯著。

由模擬計算可見:墊條對齊排布對殼側的流動影響相對較小;錯開排布時殼側流體軸向和徑向的流動速度都有較為明顯的提升,并且湍流強度也得到較大幅度的增強。

3.2 墊條及排布方式對殼側換熱性能的影響

無墊條、墊條對齊和錯開排布模型的努塞爾數Nu和換熱器單位長度壓降ΔPl隨vin的變化如圖12、13所示。

圖12 Nu隨vin的變化趨勢

圖13 ΔPl隨vin的變化趨勢

由圖12可知,對齊排布模型與無墊條模型相比Nu下降1.3%～2.5%,而錯開排布模型的Nu在同工況下比無墊條高17.1%～18.1%,兩墊條模型中錯開排布模型Nu比對齊排布高18.6%～20.4%。墊條與換熱管接觸的狹小區域會在軸向產生流動死區,帶來壓降的上升并且減弱換熱效果,但是墊條亦可在一定程度上起到加快流速和增強湍流的作用。錯開排布模型的湍流強化作用大于死區渦旋的弱化作用,所以其Nu最高;對齊模型的強弱化作用基本相互抵消,Nu與無墊條模型基本持平,這與流場分析中的結果相符。由圖13可知,兩墊條模型的殼側換熱器單位長度壓降ΔPl均比無墊條模型高,對齊模型高14.6%～17.0%,錯開模型高38.4%～39.9%;兩墊條模型中錯開排布模型ΔPl較高,比對齊模型高18.4%～21.7%。

3.3 墊條數量對殼側性能的影響

根據表1所提墊條數量選取原則,本文計算模型的每層合理墊條數為12～15,為研究墊條數量對殼側性能的影響,對墊條數量S為12、13、14、15的模型在相同進口工況下進行建模計算,墊條的排布方式為換熱性能較高的錯開排布。在不同進口流速下不同墊條數量模型的Nu、ΔPl值對比如圖14、15所示。

圖14 不同墊條數量Nu值對比

圖15 不同墊條數量ΔPl值對比

由圖14、15可知,在各進口工況下,相對S=12時的模型,當S=13,14時Nu變化為-1.0%～0.5%,當S增加到15時Nu下降了1.9%～3.0%。壓降方面各墊條數量模型差別不大,在較高進口速度vin=3 m/s工況下,S=15時模型的ΔPl下降了5.3%。在相同排布情況下,墊條數量在一定范圍的改變對殼側流動和換熱的影響均較小,但過多的墊條數對殼側的換熱有不利影響,因此在墊條數量的選取時應滿足強度和安裝要求。

3.4 強化傳熱性能指標PEC評價

PEC(performance evaluation criteria)是一種強化傳熱性能的評價方法[13]。強化換熱器中流體的流動及傳熱方法很多,每種方法在強化對流換熱的同時流動阻力等功耗也會相應增加,這是強化傳熱中的不利因素。因此,需要提出一個能涵蓋強化傳熱和阻力增加這兩種因素的評價指標,PEC是其中一種最常用的方法,定義為

(14)

式中:Nu、f分別為無墊條時殼側通道內的傳熱和阻力參數。若FP>1.0則表明傳熱強化效果大于流阻增加,當墊條數為12時,兩種墊條排布方式對應的FP如圖16所示。在各進口流速下,墊條對齊排布模型的FP始終小于1.0,即傳熱強化效果小于流阻的增加;錯開排布模型則相反,FP始終大于1.0,表明相比于無墊條模型,錯開排布模型的換熱性能更加優越。

圖16 兩種墊條排布方式對應的FP

4 結 論

針對纏繞管換熱器,對墊條、墊條排布方式及數量對殼側流動換熱性能的影響進行了數值模擬研究,得出以下結論。

(1)墊條的存在對殼側的流動和換熱有顯著的影響,不考慮墊條的換熱器簡化模型會帶來較大的計算誤差。尤其是墊條錯開排布時,軸向高流速區域對應鄰層墊條處的低流速區域,對流體具有一定擾流作用,且在徑向截面上,因流體在墊條附近壁面脫離的影響,更易形成渦旋而加強流體擾動。

(2)在相同工況下,墊條錯開排布使得換熱器的壓降增大,但換熱性能更高。錯開排布模型的Nu比無墊條高17.1%～18.1%,ΔPl高38.4%～39.9%。而且,錯開排布的強化傳熱性能指標FP較高,始終大于1.0,說明其傳熱強化效果大于流阻增加,有利于殼側傳熱性能提升。

(3)墊條數量的小幅度變化對殼側的流動和換熱性能影響不大,但當墊條數量過多時對換熱有不利影響。在計算工況下,當墊條數量由12增至15時,Nu下降1.9%～3.0%,因此在墊條的數量選擇時滿足強度和安裝要求即可,數量不宜過多。

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(編輯 趙煒 杜秀杰)

Effects of Space Bars on the Shell-Side Performance of Spiral-Wound Heat Exchanger

WEN Jian1,TONG Xin1,YANG Huizhu1,WANG Simin2,LI Yanzhong1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. School of Chemical Engineering and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

So far in the simulation research of spiral-wound heat exchanger the space bars are rarely considered, the deviation between simulation results and actual situation is thus enlarged. This paper mainly studies the effects of the number and arrangement of space bars on the shell side’s thermal and hydraulic performance with numerical simulation method. Numerical results showed that the space bars affect the axial flow rate of shell side and cause more vortexes in radial sections. Compared with the calculation results of the models without space bars under the same inlet condition the Nusselt numberNuof lined up-space bar models was decreased by 1.6%-2.5%; the pressure drop per heat exchanger length ΔPlwas increased by 14.5%-17.0%; the performance evaluation criteriaFPwas decreased by 5.7%-5.9%; theNuof staggered-space bar models was increased by 17.0%-18.1%; ΔPlwas increased by 38.4%-39.9% andFPwas increased by 13.7%-15.4%. Moreover, the staggered arrangement of space bars can further enhance the turbulence of shell side, compared with the lined up arrangement theNuof staggered arrangement was increased and ΔPlwas increased accordingly in the same working conditions. When the number of space bars was more than 12 (13, 14 and 15), the number of space bars had little effect on the shell side performance. This paper provides a new approach for spiral-wound heat exchanger simulation and offers a theoretical reference for the performance optimization.

spiral-wound heat exchanger; space bar; turbulence enhancement; pressure drop

2016-05-17。 作者簡介:文鍵(1976—),女,博士,副教授;王斯民(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51676146);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目。

時間:2016-09-14

10.7652/xjtuxb201611003

TK124

A

0253-987X(2016)11-0014-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160914.1807.010.html