钉头管套管换热器对流换热的数值模拟.pdf

静设备
石油化工设备技术,2010.31(1)°25°
Petro Chemical Equipment Technology
钉头管套管换热器对流换热的数值模拟
张延静,江楠
(华南理工大学化工机械与安全工程研究所,广东广州510640)
摘要:为了获得换热器中强化换热管对换热性能的综合影响运用 FLUENT软件.采用三维模型和
ん∈模型对钉头管和光管套管换热器进行了数值模拟分别模拟了该两种套管换热器在湍流情况下的换热性
能。数值计算结果表明,在相同流动条件下,钉头管换热器比光管换热器总传热系数可提高约88%
关键词:套管换热器;钉头管;数值模拟;强化换热
中图分类号:TE966文献标识码:B文章编号:10068805(2010)01-0025-05
随着计算机硬件、计算流体力学和计算传热1模型建构
学的不断发展,数值模拟己经成为传热学研究的1.1物理模型建立
一种重要方法?
采用三维模型对套管换热器进行模拟分别
在强化传热管研究方面,数值模拟也被广泛模拟了光管和钉头管两种情况.其中换热管的长
应用。在数值模拟过程中国外已开发出PHOE、度为1m,套管的直径为60mm,基管直径为
NICS、FLOW3D、 ANSYS、 FLUENT等大型通用25mm,整个钉头管套管换热器的三维示意见
CFD软件。这些软件之间可以方便地进行数值图1(a),钉头管的横截面见图1(b)。在钉头排列
交换,并采用统一的前、后处理工具能够很好地方式上采用等纵向间距错排错排的角度为
解决一维、二维、三维及层流或湍流、单相或多相、30,钉头管有关参数见表1。
稳态或瞬态的传热和流体流动问题对每一种物
理问题的流动特点.都有适合它的数值解法,用户
可对显式或隐式差分格式进行选择以其在计算
mm登子世子世em
其设置为等壁温或等热流边界条件,然后按流动
与传热均已充分发展的情況来进行模拟?,这
图1钉头管套管换热器三维示意
样处理将无法考虑进口段对换热的影响,而且不
表1钉头管有关参数
能获得强化换热管对管外流体流动和换热的影
基管尺寸
25X2.5
响。对整个套管换热器进行模拟则可以获得强
钉头直径
6
化换热管的整体换热性能,与实际的实验工况更
钉头长度
10
为接近。
钉头密度
6个/环
为了获得换热器中强化换热管对换热性能的
钉头纵向间距
17.5
综合影响,本文采用 FLU EN T软件,运用三维模
钉头排列方式
错排
型和ke模型对氮肥工业中常用的套管换热器进
行了三维数值模拟,分别模拟了钉头管和光管套
管换热器在湍流情况下的换热性能。通过对两种
收稿日期:20090310
换热器对流换热的比较,显示了钉头管套管换热
作者简介:张延静(1986-),女河南南阳人,现就读于华南
理工大学机械与汽车工程学院化工过程机械专业2007级研
器具有良好的强化传热性能.为其在化肥工业中
究生
石油化工设备技术
2010年
1.2流体物性及边界条件
2.1温度矢量场图
流体介质为水,热水走壳程.冷水走管程,物
图2(a)和(b)分别是换热器壳体在管、売程
性参数为等效温度下的常量:管程流体和壳程流流体换热达到稳定后的温度场分布图,图2(c)和
体采用逆流形式换热:在设定的流速条件下流体(d)分别是换热管内外壁面在管、壳程流体换热达
均可以达到湍流:管程和壳程进口温度分别设为到稳定后的温度场分布图。由图2可以看出,壳
293.15K、353.15Kn;内外管壁采用隐式分离程热流体从进口到出口,其温度不断下降其进出
求解对流与热传导的热量交换;壳体壁面采用不口温度分别约为353.15K和351.15K左右。图
可渗透、无滑移绝热边界.
像上显示的进口温度与在模拟开始时设定的
由于钉头管套管换热器的壳程结构比较复353.15K吻合良好。
杂,采用四面体网格划分,此模型中边界类型有
图2(a)是钉头管套管换热器截面温度迹线
4种:进口、出口、管壁和壳壁以及实体(传热壁和图(Z方向的截面),从图中可以看出売程、传热管
钉头y。钉头管套管换热器管程和壳程流体的壁、管程以及钉头处的温度场分布。
热传递和流动必须满足基本控制方程:能量方程、
管程的平均温度约305K,靠近传热管壁的
质量守恒方程、动量方程,同时,管程和壳程流体地方温度比较高:売程的平均温度约345K,钉头
流动为湍流所以还应加上湍流模型方程。数值周围温度呈现明显的梯度分布,温度最低处约
计算中,湍流模型的选择需要综合考虑求解区域330K,这是由于存在着流体与钉头的热交换;传
的复杂程度、流动的主要特征以及计算源等因素。热管壁的温度大约为325K,从图2中还可以看
综合考虑数值精度和计算条件,本文采用标准k出温度分布的大致范围,売程内有钉头的部位温
模型。
度比壳程其他地方低;而管程内则靠近管壁面的
2模拟结果对比
地方温度稍高。
9r6
图2温度场示意
2.2速度场矢量图
扩展表面受到流体的横向绕流流体边界层不断
图3(a)和(b)是钉头管套管换热器流场矢暈被破坏和重新发展,增加了流体湍动程度.所以换