流速及傳熱溫差對換熱器傳熱系數(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驗數(shù)據(jù)進行分組，采用控制變量法，分別對以上兩個因素的單獨進行分析，做出kΔT，kv的擬合曲線，得到經(jīng)驗函數(shù)。取整個換熱器為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，運用多孔介質(zhì)，kε模型，采用二階迎風模式，壓力速度耦合運用SIMPLE算法，給出整個換熱器的溫度場以及傳熱系數(shù)的分布規(guī)律，最終給出以上兩個因素對傳熱系數(shù)的影響趨勢。

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： TK124文獻標志碼： A文章編號： 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。本文針對給定結(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，對實驗數(shù)據(jù)進行歸類分析，做出傳熱系數(shù)與傳熱溫差的分布關(guān)系散點圖以及傳熱系數(shù)與熱空氣流速的散點圖，并進行擬合，分析引起其變化趨勢的原因，在此基礎(chǔ)上進行數(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，管道采用錯列排布，管道數(shù)量為12×19+11×18根，取整個換熱器為研究對象，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化，計算時采用二階迎風模式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法[11-12]，穩(wěn)態(tài)求解，最終得到整個換熱器的湍流流動與傳熱耦合計算的網(wǎng)格獨立解[13-15]。

12數(shù)學模型

在v=279 m/s的情況下對其進行數(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，傳熱溫差的改變對傳熱系數(shù)的影響是成衰減趨勢的，僅僅通過提高傳熱溫差是不能很明顯的增加傳熱系數(shù)，且高溫下傳熱對材料的要求也極高。

4熱空氣流速對傳熱系數(shù)的影響分析

在分析熱空氣流速對傳熱系數(shù)的影響時，首先選定平均對數(shù)傳熱溫差ΔT在611℃到778℃之間，冷空氣溫升在222℃左右，對所給數(shù)據(jù)進行整理取樣分析，運用冪函數(shù)對其擬合，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）

對式（9）求導，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的情況下對傳熱器進行數(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，通過擬合公式計算所得到的傳熱系數(shù)k2=4777 w/m2K，實際的傳熱系數(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，進行數(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的，而且在高流速的情況對換熱器的磨損也比較嚴重。

熱空氣流速對傳熱系數(shù)影響程度強于傳熱溫差對傳熱系數(shù)的影響。首先對比兩個擬合公式的二階導數(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）在對換熱器的傳熱系數(shù)進行研究時，通過實驗得到的數(shù)據(jù)來分析傳熱系數(shù)時，是可以采用曲線擬合和數(shù)值模擬綜合的方法進行分析的。

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（編輯：王萍）