折流杆换热器数值模拟及性能分析.pdf

第38卷第3期
石油化工设备
009年5月
PETR>. EQUIPMENT
文章编号:1000-746(2009)030039-0
折流杆换热噐数值模拟及性能分析
严良文,潘雷,阚树林
(上海大学机自学院,上海200072)
摘要;在 PFOENICS-3.5.1程序的基础上,引入多孔介质模型,用体积多孔度、表面渗透度和各向
异性的分布阻力来处理换热器内的管東。用分布热源考虑管側流体对壳侧流体的彩响,通过编写
相应的程序,采用数值模拟的方式求出了折流杆换热器壳程压降和传热系数。与实验结果比较表
明,壳侧压降的绝对偏差在5%以内,传热系数的绝对偏差在8%以内,能够满足工程计要求。在
此基础上,分析了折流栅的有效流通面枳和间距对折流杆換热器综合性能的影响,并将这2个参数
引入到准数方程式中,得到了折流杄換热器的准数方程式,为获得折流杆換热器的整体性能提供了
种低成本的研究方法。
关键词:折流杆换热器;数值模拟;性能分析;准数方程
中图分类号:TQ021.3;TQ051.502
文献标志码:A
Numerical Si mulation and Performance Analysis
of Rod Baffle Heat Exchanger
en, PAN Lei, KAN Shu-lin
(Shanghai University, Shanghai 200072, China)
Abstract: Based on the platform of PHEONICS version3.5. 1, a three-dimensional numerica
method for predicting the turbulcnt fluid flow behavior in shell side of rod baffle heat exchanger
was developed. With this method, the modeling of the tube bundle was carried out based on the
porous media concept using volumetric porosities and applicable flow resistance correlations. The
results showed that the simulation results and experimental results were good agreement in shell
side. The maximum deviation absolute value of pressurc drops of was less than 5%, and the heat
transfer coefficients maximum deviation absolute valuc was less than 8%6. The numerical model
was used to analyze the influence factors of the whole performance and the equation of dimension-
less about heat transfer and pressure drop was obtained. The low cost method was found to obtain
the whole performance of rod baffle heat exchanger
Key words: rod baffle heat exchanger; numerical simulation; performance analysis; dimension
less cquation
为了获得换热器的整体性能,必须将生产出的必要寻求另一种研究换热器性能的方法。
换热器应用到实验测试系统中,对其进行性能测试
随着计算机计算模型的日趋完善和计算砌运算
这种方法简单直接,针对性较强,但实验费用昂贵,能力的增强,换热器性能的数值研究成为可能
尤其是考虑结构参数变化对其性能的影响时,必须国内…些学者应用不同的软件对换热器性能做了有
制造许多不同尺寸的结构部件,费用更高。因此,有益的探索,取得了不少成果。笔者以流体计算
收稿日期:2008-11-28
基金项目:上海市教委科研项日(A.10-0109-06011
作者筒介:严良文(1967-),男,湖北监利人,⊥.程师,博士,主要从事换热器强化传热和数值模拟的研究。
石油化工设备
009年第38卷
商用软件 PHOENICS-3.5.1为平台,川入多孔介质响。用体积多孔度,即流体体积与整个控制体体积
模型?用体积多度、表面渗透度和各向异性的分布的比值表示固体构件对控制体内流体体积的影响
阻力米处型折流杆内管束,用分布热源考虑管侧流用表面滲透度,即流体表面与控制表面的比值表示
体対壳侧的影响,选用工程上广泛采用的湍流模型固体构件对控制体表面作用力的影响。而固体构件
编相应的模型程序,对折流换热器的壳程流场带来的动量及能量交换的影响在方程中引入分布阻
和温度场进行了模拟,目的在于获得折流杆换热器力和分布热源来表示
的准数方程式,为折流杆换热器的结构没计寻求一1.1质量与动量守恒方程7
种低成本的研究方法。
维流体的质量守恒方程为
1多孔介质模型下的守恒方程
?2+9(e)+9(p)+8(eau
(1)
多孔介质模型就是将流休、固体划入同一个控
维流体的动量恒方程可以表示为如下的基
制体…),通过对守恒方程的修改来表征固体的影本形式
x
pu
2
C
O
e
式中,4、v和U为売侧流体的平均速度分量,m/s;t
各式中的雷诺数Re由各速度分量、管子外径
为时间,s;为流体的压力?Pa;p为流体的密度,及动力粘度算出。
kg/m3;x、/y、f:分別为x、y、x方向上的分布阻力1.2能量守方程?」
系数;为等效动粘度,Pas。
对于管侧,可以认为是一维流动,因此能量方程
若压力损失系数记为点、も、:,则有
中只有对流项,即:
T
-PI8
Tw-Tr)(12)
3
式中,T为混度,K;cv为比定容热容,c,为比定压热
其中
容,kJ/(kg?℃);g为质量流速,kg/(m2?s);ar为
管程側传热系数,W/(m2?C);t为时间,s。下角
标T表示管側,W表示管壁
对于壳侧,有
07*u97
at
6T、
at
Oy
6と
,924n,9かュn,3p
式中,D为壳侧流体的水力直径;r为管间距,mms
fy、fv分别为壳侧局部多孔度和整体多孔度
m、(Tw-Ts)十
对于流体横掠管朿,有
ate
619R
Re <8(0
teff
O
=1.156R
000≤Re。<2×10)
C,=0.619Reye(Re:<8000)
(13)
az ac
C,=1.156Re、61(8000≤Re,<2X10)(8)式中,れ,为导热系数,W/(m℃)。下角标s表示
对于流体纵掠管東,有
壳側。
C=