一種擾流元件對換熱器傳熱性能影響探究

李浩天，廉立超

(中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116031)

1 前 言

能源不僅是國民進(jìn)步的動(dòng)力，也是使生產(chǎn)力和生活水平提高的重要經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)[1]。我國雖然是世界上重要的能源儲(chǔ)備大國之一，但是人均能源儲(chǔ)備量目前仍很難達(dá)到世界平均標(biāo)準(zhǔn)的一半，所以當(dāng)前社會(huì)越來越重視能源的節(jié)約。換熱器廣泛地應(yīng)用在空分裝置、石油行業(yè)煉化、制冷工程等領(lǐng)域，是化工行業(yè)最為重要的工藝設(shè)備[2]；提高強(qiáng)化傳熱能大幅度節(jié)約能源，強(qiáng)化傳熱分為主動(dòng)強(qiáng)化傳熱和被動(dòng)強(qiáng)化傳熱[3]。主動(dòng)強(qiáng)化傳熱需要借助外界裝置，施加電場、磁場或者攪拌等方式，存在應(yīng)用過程復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此被動(dòng)強(qiáng)化傳熱成為了重要的研究方向[4]。被動(dòng)強(qiáng)化傳熱是可以通過改變換熱器外部結(jié)構(gòu)，改變流體在流場中的流動(dòng)方式，使流體在流場中反復(fù)擾流增大換熱面積，從而增加換熱器的換熱量[5]。本文分析對比了管內(nèi)擾流元件中心直徑的變化對傳熱效率的影響。在符合工況的條件下，不僅能大幅度提高換熱器的傳熱效率，還具備安裝簡單，除垢方便等優(yōu)點(diǎn)，在空分裝置、石油化工等領(lǐng)域有著光明前景。隨著時(shí)間的推移，以及換熱器的強(qiáng)化換熱機(jī)理，材料學(xué)的逐步完善，換熱器已經(jīng)可以適用于各種各樣的工況[6]。科爾伯恩、加德納、穆勒、多諾休和貝爾等人，以及美國的特拉華州大學(xué)都對換熱器整體的設(shè)計(jì)和流體熱力學(xué)有著巨大的貢獻(xiàn)[7]。

2 物理模型建立

2.1 換熱量計(jì)算

1.雷諾數(shù)

(1)

式中，ν為流體平均速度，m/s；μ為流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的粘度，m2/s；dc為流場特征長度，m。

2.平均努塞爾數(shù)

(2)

式中，h為流體對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

3.換熱因子

(3)

式中,Nu為努塞爾系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特常數(shù)。

4.摩擦因子

(4)

式中,Δp為壓力差，Pa。

5.換熱量

Q=C×m×ΔT

(5)

m=ρ×V×A

(6)

Φ=K×A×ΔT

(7)

式中:Φ為熱流量，W；K為總導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；Δt為熱流體與冷流體之間溫度差，K；C為比熱容；m為質(zhì)量，kg；T為溫度，K。

2.2 物理模型

本文在建立換熱器模型時(shí)，按照流體的流動(dòng)及傳熱的基本方程及湍流模型選擇的標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程[8]。但由于換熱器模型較大而且內(nèi)部構(gòu)造比較復(fù)雜，因此在保證精確度的前提下，對計(jì)算模型進(jìn)行簡化：

1.殼程中流體的流動(dòng)與傳熱過程是穩(wěn)定且均勻的；

2.折流板和換熱管管束外壁的縫隙忽略不計(jì)；

3.換熱器外壁絕熱，不與外界存在能量交換。

具體邊界條件：1.速度入口，壓力出口，出口表壓力為0；2.冷流體為25℃水，熱流體為125℃煤油，均為牛頓不可壓縮流體；3.換熱管外壁結(jié)構(gòu)為鋁,恒溫；4.殼體材料為鋁，絕熱壁面。

表1 換熱器幾何參數(shù)表

D=3 mm D=4 mm

D=5 mm D=6 mm

3 管內(nèi)擾流元件中心直徑對傳熱效率的影響

3.1 換熱量對比

表2 溫度與換熱量

(a)冷流出口溫度

(b)熱流出口溫度

3.2 中心直徑對溫度場的影響

圖3為換熱管在x=0.5位置中心截面的溫度云圖。由圖可知，管內(nèi)擾流元件靠近殼程位置的溫度變化較為明顯。但是管內(nèi)擾流元件中心位置的溫度和入口處相比，變化不大，換熱效果差。

D=3 mm D=4 mm

D=5 mm D=6 mm

3.3 中心直徑對壓力降的影響

通過圖4可以看出冷流壓降變化范圍相差不大，且壓降數(shù)值偏低，在3870～4000 Pa波動(dòng)，中心直徑由3 mm增加至4 mm時(shí)，冷流壓降有效范圍內(nèi)升高，由4 mm增加至5 mm時(shí)，冷流壓降降低幅度較大，且中心直徑為5 mm時(shí)，冷流壓降小于中心直徑為3 mm時(shí)冷流壓降。中心直徑為6 mm時(shí)冷流壓降和5 mm時(shí)基本保持不變。中心直徑對熱流壓降數(shù)值影響較大，且熱流壓降整體隨著管內(nèi)擾流元件中心直徑的增大而減小，管內(nèi)擾流元件中心直徑在4 mm至5 mm變化時(shí)，熱流壓降減小幅度最大，這是由于隨著管內(nèi)擾流元件中心直徑的增大，管內(nèi)熱流體流動(dòng)受到擾流元件干擾降低，遇到的阻力減小，壓力的損失也就減小。圖4明顯看出管內(nèi)擾流元件中心直徑在5 mm以上時(shí)，熱流降壓明顯低于直徑在5 mm之下。中心直徑在5 mm時(shí)，壓力變化最均勻。

表3 冷熱流壓降變化

圖4 壓降性能曲線

3.4 換熱效率對比

由圖5～7可得出擾流元件中心直徑在5 mm時(shí)，當(dāng)雷諾數(shù)在696.9～2090.7變化時(shí)下降的速度最快，當(dāng)雷諾數(shù)大于2090.7時(shí)，換熱效率受雷諾數(shù)影響較小。擾流元件中心直徑在3 mm時(shí)，雷諾數(shù)在696.9～2787.6變化時(shí)，下降幅度最大，大于2787.6時(shí)，趨于平緩。擾流元件中心直徑在6 mm時(shí)，在相同雷諾數(shù)下，換熱效率最低。因此，在相同雷諾數(shù)下，管內(nèi)擾流元件中心直徑在4 mm時(shí)換熱效率最高。

表4 管內(nèi)擾流元件中心直徑對換熱因子的影響

圖5 管內(nèi)擾流元件中心直徑對換熱因子的影響

表5 管內(nèi)擾流元件中心直徑對摩擦因子的影響

圖6 管內(nèi)擾流元件中心直徑對摩擦因子的影響

表6 管內(nèi)擾流元件中心直徑對換熱效率的影響

圖7 管內(nèi)擾流元件中心直徑對換熱效率的影響

4 結(jié) 語

換熱管內(nèi)擾流元件中心直徑為4 mm時(shí)換熱量最高，為413.97 kW；中心直徑為6 mm時(shí)換熱量最低，為289.68 kW；換熱量可提高4.24%～42.80%。中心直徑為3 mm時(shí)熱流壓降最高，為35 752.2 Pa；中心直徑為6 mm時(shí)熱流壓降最低，為18 443.4Pa；壓降最高可降低93.85%，且換熱器熱流壓降隨著管內(nèi)擾流元件中心直徑的增大而減少；中心直徑為4 mm時(shí)換熱器換熱效率最高，5 mm次之，中心直徑為6 mm時(shí)換熱效率最低。