纵流管壳式换热器新型支撑结构的数值模拟

【作者】 周水洪； 邓先和；

【机构】 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室；

【摘要】 提出并分析了一种新型的传热强化元件——旋流片作为管束间支撑物的流动与传热特性。壳程纵流管壳式换热器是指应用新型的管束间支撑方式,使得壳程的流体基本沿纵向(轴向) 流动的换热器,能有效控制大雷诺数时换热管束的流体诱导振动,减小流动阻力,同时具有抗结垢能力强、节材等优点。空心环和旋流片作为管束间支撑物,可以大幅减少折流损失的流体输送功,将输送功用来提高管外换热系数,同时和强化传热管结合使用提高壳程的综合传热强化性能。旋流片支撑管束纵流式换热器壳程结构及流体流动与传热的情况比较复杂,其换热器的实验结果只能给出最终的宏观测量结果,而对壳程流体流动的细节信息和纵向涡传热强化的机理需要更进一步的了解,这样将有助于对旋流片的结构形式进行优化研究。数值模拟方法提供了有效的研究手段,能较直观地得到换热器内部的流场和温度场的细观信息。针对工业应用的纵流管壳式换热器具有较大的壳体直径和流体在轴向流过多个管间支撑物的特点,进行合理简化,应用周期性单元流道模型,采用计算机数值模拟方法,分别模拟了光滑管束间无支撑、空心环支撑和旋流片支撑时的湍流流动和传热性能。数值模拟采用重整化(RNG)k-ε双方程湍流模型,SIMPLEC算法进行压力和速度的耦合,壁面处理采用强化壁处理法,模拟了不同流量下的流动与传热特性, 给出了流场和温度场的细观信息。模拟结果得到了实验数据的验证,周期性单元流道模型的简化是可行的。结果表明,流体经过空心环时,发生扰流现象,在增强湍流度的同时使得流体冲刷了壁面,具有一定的强化换热作用,但是扰流作用在下游的持续距离比较短。旋流片使流体在螺旋型流道内受迫作螺旋流动,由原来的一股流体分裂成两个对称的螺旋流,流体得到充分扰动,提高了湍流度,并且产生明显的周向和径向流动,有效地冲刷壁面,减薄了边界层,但具有较大的形体阻力。当流体离开旋流片后,进入自旋流状态,随着距离的延长,两个螺旋流逐渐合并成一个大的纵向涡,且持续的距离很长。自旋流区几乎没有形体阻力,且流体仍然维持三维螺旋运动, 有效冲刷壁面和增强扰流,具有低阻高效的特点,因此旋流片的综合强化换热性能要优于空心环。如何充分有效利用旋流片产生的自旋流成为进一步优化研究的方向。更多还原