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换热器壳侧三维数值模拟与场协同分析

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-11-11 20:03:04 * 浏览: 49
Lt,DIVnbspalign = centergt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,换热器壳的三维数值模拟和场协同分析lt,BRgt,孔松涛,董其武,刘敏山,lt,BRgt,(郑州大学热工研究中心) lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp摘要:为了分析热交换器的整体场协同作用,多孔介质分布采用电阻模型和换热器核心模型。三维数值计算方法用于研究管壳式换热器的流动和传热。分析了壳侧传热效率与传热效率之间的关系,分析了壳侧纵向流和侧向流与流量的场协同角。该定律为优化热交换器设计提供了理论依据。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp关键字:换热器壳场协同数值模拟优化lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbspquote lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt ,1998年,曾媛教授从二维边界层的能量方程中提出了场协同理论8943。在文献[2]之后,该分析扩展到了椭圆形的流动和传热,这证明对于Prandfl数较小的流体,减小速度矢量和温度梯度之间的夹角对于增强椭圆形也是有效的。对流换热。措施。文献[3]也对传统的折流板换热器的现场协同研究进行了有益的探索。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp就目前的文献而言,管壳的数值计算热交换器通常使用“单位流道”。基于多孔介质模型的模型和整体仿真。但是,这两个模型在热交换器的整体场协调计算中存在某些缺陷:尽管“单位流道”模型可以表示热交换器的压降,流动特性和传热特性,但它缺乏整体性。尽管基于介质模型的多孔介质模型可以理想地实现,但温度场以及由于使用周期性模型条件而无法计算常见的可变壁温条件,因此无法反映整个热交换器的场协同效应。能量方程的源项难以正确估计,从而导致较大的计算误差,无法准确反映实际情况。鉴于这两个模型的局限性,作者将多孔介质分布阻力模型作为换热器壳流场计算模型,并以换热器芯模型作为能量方程模型,可以较好地解决上述问题。换热器的核心模型还可以解决多管多壳换热器的仿真问题,为该项目提供有用的研究方法。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp理论基础和模型lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt, lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp1。多孔介质分布阻力模型lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,鉴于现有的计算机硬件和软件条件,实际的外壳换热器的仿真模拟过程的流动和传热是不现实的。 1974年,Patankar和Spalding提出了多孔介质分布阻力的概念,并完成了热交换器壳侧流场的模拟。后来,发表了许多论文来发展这一思想,这已成为对换热器壳体流动进行整体模拟的主要方法。多孔介质的动量方程是通过基于标准动量方程添加动量源项而获得的。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp,负号表示动量源项与流体流动方向相反,Si是沿X,y和z方向的动量源项,方程式的右项是粘度损失,第二项是是内部损失项。 D和C分别是特定矩阵。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp2。换热器芯模型lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp为了计算热交换器壳的热传递,必须进行管过程被考虑。壳侧的实际传热。在热交换器的核心模型中,将计算区域的流体定义为主流体,将不进行流量计算而进行热交换的流体的一部分定义为辅助流体。在本文中,将壳侧流体定义为主要流体,而管状流体为次要流体。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbspHeat在整个热交换器运行过程中的变化不是恒定的。换热器核心模型沿流体流动方向将流体区域划分为多个换热单元,计算每个换热单元的流体进出口温度和传热,并获得整个换热器的传热分布。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp数值模拟方法lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt ,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,数值模拟以折流板,折流板和螺旋折流板换热器壳为例,建立了多孔介质阻力模型和换热器芯模型。这三个模型代表了典型的管壳式换热器的壳流。为了验证仿真结果的正确性,根据实验室现有的折流板和折流板换热器建立了计算模型。由于缺乏螺旋折流板换热器的测试平台,该模型是根据实验室换热器的相同条件建立的,计算结果仅供参考。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp测量了10组实验数据。使用多孔介质和换热器芯模型计算,图2显示了折流板换热器的测试结果与模拟结果之间的比较。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp,可以看出仿真数据与实验数据基本一致,多孔介质和换热器核心模型可以准确反映壳管式换热器的壳侧压降和流体温升。由于挡板和热交换管,挡板和壳体的缘故,模拟的压降值高于实验值。它们之间存在泄漏现象。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp显示了挡板式热交换器的测试和模拟结果。从表1和图2可以看出,多孔介质阻力模型和换热器芯模型可以客观地反映实际情况,尤其是换热器芯模型,与试验结果较为接近,计算精度较好。比其他方法。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,实例,结果和分析lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt, Lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp面= Verdanagt,nbsp。数值计算了三种壳管式换热器的几个数值条件,并通过自编程提取了速度场与温度梯度场之间的夹角。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp折流板和折流板换热器的壳场协调角的趋势流量不同。前者随着交通量的增加而在场协同方面不佳,而后者恰恰相反。这种趋势倾向于随着交通流量的增加,螺旋挡板也随着交通流量的增加而改善,这可能是因为螺旋挡板的纵向流量很强。可以看出,纵向流量更适合高流量的情况,而横向流量更适合低流量的情况。文献[8]证实了纵向流具有良好的热力和水力效率,并且场协同效应也得到了很好的解释。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp在换热器核心模型中,传热效率的定义表示每一个的热效率传热单元定义是使用多圈L介质和换热器芯模型来计算使用中的U型折流板换热器。主要工艺参数如表3所示。按图1所示划分换热器单元。计算并分析传热单元效率和壳场协同关系。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,显示了传热单元效率和场协同角之间的关系。由于0〜9个单元处于逆流,10〜19个单元处于逆流,传热效率明显不同,相应的场协同角也呈现出相应的规律。可以看出,在换热器的壳体流动和传热中,分析了场的协同关系,有助于优化换热器的壳体设计。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp结论lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,Lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,(1)由异质多匝L介质和热交换器核心模型组成的热交换器的整体三维模型不仅可以预测壳体上的压降不仅解决了多圈L介质传热预测的不准确性。与以前的文献中使用的数值模拟方法相比,作者提出的算法更加合理,其对多管和壳侧等复杂换热器的模拟是其他方法无法比拟的。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp(2)结合测试分析壳的场协同角和流动关系管式换热器,发现在小流量情况下侧向流动更好,而大流量情况下垂直流动是更好的选择。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONT nbsp face = Verdanagt,nbsp(3)分析了传热单元与场协调角之间的关系,指向找出结构上哪些部分需要改进。如增加导管等措施,可以提高换热器的场协同作用,提高换热效率,并为优化换热器的设计提供坚实的基础。 Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,/ DIVgt,lt,DIVgt,lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp来自:中国热交换器网Lt,/ FONTgt,lt,/ DIVgt,