顺逆流换热器传热性数值模拟比较

顺逆流换热器传热性数值模拟比较 孙灵喜 (中国矿业大学 电力工程学院) 摘要,换热器在石油、化工、动力、食品及其它许多工业领域等领域有着重要且广泛的应用。而换热效率是衡量换热器优劣的主要指标.理论上了换热器顺流逆流布置的换热效果的差异,随着CFD,Computer Fluent Dynamics,技术发展日趋成熟,使对流体内部温度场、分布研究变得可行,鉴于此,本文应用CFD软件对换热器的顺流逆流布置对换热效果的影响进行数值模拟。 关键词,顺流流动,逆流流动,数值模拟,换热效果 0. 引言 实践结果证明:金属换热面导热系数大小对换热器的总传热系数影响不大，而换热器的结构形式、流体的流动状态、是否采取强化措施对总传热系数有明显的影响【1】。其中强化传热是国内外传热学界研究的热门课题.【2】 FLUENT 软件是美国FLUENT 公司推出的大型的计算流体( CFD) 商业软件。其功能比较强 大, 现已广泛用于航空、汽车、透平机械、水利、电子、石油、建筑、环境保护等各个领域。。FLUENT 软件提供了非常灵活的网格特性, 它可以采用非常结构网格( 三角形, 四边形, 四面体, 六面体网格) 和混合型非结构网格【3】。FLUENT 软件使用GAMBIT 作为前处理软件, 可完成多种流动状况的数值模拟。本文通过对换热器顺流和逆流两种流动方式的模拟，得出与实验相同的结论，形象，直观。 1 理论分析 假设:(1)、冷、热流体的质量、流量以及比热容在整个换热面上都是常量; (2)、传热系数在整个换热面上不变; (3)、换热器无散热损失; (4)、散热器沿管子轴向的导热量可以忽略不计。 (5)、任一流体不能既有相变又有单向介质换热。【4】 基于以上假设，根据传热学和流体力学相关理论，模拟的对流换热的控制方程由连续方 ,程、动量方程、能量方程、方程、方程和传热方程组成: K ,ui,0(1)连续性方程: 【5】,x (2)动量方程: ，，,,uu,,u,，，,,uu,p,,ijjii ，,,，，，,ttg,,,,,，，,,,effi,,,,,,,,txxxxx,,jijji,,，， ,,,,,，式中，——紊流有效粘性系数， effefft; (3)能量方程: ，，,,uT,,，，,,,TkT,,jt，,， ,,,,,,,,,,txxcx,,,jjpTj,,，， (4)稳流动能方程(K方程) ,,uk，，,,,u，，,,,,uu,,,,,,kkT,jjliit，,，，，,,g,,,,,,,,,,,tj,,,,,,,,,,txxxxxxx,,,,jjkjjjiTj,,，，,, (5)紊流能量耗散方程(,方程) 2,,,u，，,,,u，，,,,,uu,,,,,,,,,,jjlii，,，，，,cc,,,,,,,,12t,,,,,,,,,xxxkxxxk,,,,tjjjjji,,，，,, (6)传热方程: Q=KA?Tm 式中 Q—传热量; K—总传热系数; A—传热面积; ?Tm—热冷流体的对数平均温差。【6】 增大传热温差的方法有两种:一是扩大冷热流体进出口温度的差别以增大传热平均温差，此法受生产工艺限制;二是在冷流体和热流体的进口温度一定时，利用不同的换热面积布置来改变平均温差【6】。本文即是让冷热流体相互逆流流动比较换热效果。 2.问题的描述及网格划分 如下图所示，换热器中冷、热流体按图中方式流动: 图一 顺流流动 图二 逆流流动 采用Fluent作为数值计算软件, 进行三维数值模拟，计算采用k –e 模型。分别将顺流和逆流在相同条件下进行数值模拟, 并将结果进行比较。换热器的几何尺寸如下图所示 圆柱底面半径分别为20mm,40mm，高为500mm。 网格的划分 边界条件:顺流时，左面圆环面和内圆柱面为速度进口，内圆柱参数设置:进口速度8m/s,进口温度360K;外圆环参数设置:进口速度5m/s，进口温度280K。右面为出口。中间壁面传热系数K=300 W/m，壁厚2mm。外壁面为绝热壁面。 逆流式左侧内圆柱为速度进口，进口速度和温度同上，左侧外圆环为压力出口。右侧外圆环为进口，进口速度5m/s，进口温度280K，中间壁面传热系数K=300 W/m，壁厚2mm。外壁面为绝热壁面。 3、模拟结果与分析 3.1迭代情况比较 图三为冷热流体顺流流动时达到热平衡的迭代情况; 图四为冷热流体逆流流动时达到热平衡的迭代情况。 比较两图，可以看出，在相同条件下，逆流流动时所需的迭代次数为60次左右，顺流流动时单位迭代次数为70次左右，结果说明逆流比顺流达到热平衡所需的迭代次数少，从而间接明逆流式比顺流式效果好，换热效率高。 图三 图四 3.2Total Heat Transfer Rate 比较 顺流 Total Heat Transfer Rate (w) -------------------------------- -------------------- iinletbig -417.71698 outletbig 411.44308 ---------------- -------------------- Net -6.2738953 Total Heat Transfer Rate (w) -------------------------------- -------------------- inletsmall 759.138 outletsmall -765.35059 ---------------- -------------------- Net -6.2125854 Total Heat Transfer Rate (w) -------------------------------- -------------------- outletbig 411.44308 outletsmall -765.35059 ---------------- -------------------- Net -353.9075 Total Heat Transfer Rate (w) -------------------------------- -------------------- iinletbig -417.71698 inletsmall 759.138 ---------------- -------------------- Net 341.42102 逆流 Total Heat Transfer Rate (w) -------------------------------- -------------------- inletbigniliu 42.517361 outletbigniliu -61.332737 ---------------- -------------------- Net -18.815376 Total Heat Transfer Rate (w) -------------------------------- -------------------- inletsmall 759.14355 outletbigniliu -61.332737 ---------------- -------------------- Net 697.81082 Total Heat Transfer Rate (w) -------------------------------- -------------------- inletbigniliu 42.517361 inletsmall 759.14355 ---------------- -------------------- Net 801.66092 Total Heat Transfer Rate (w) -------------------------------- -------------------- outletbigniliu -61.332737 outletsmall -759.12579 ---------------- -------------------- Net -820.45853 从fluent模拟出的Total Heat Transfer Rate的比较，可以看出传热量逆流式比顺流式多，表 现在(1)对同一圆柱或圆环的进出口，传热量(inletbigniliu = 42.517361，outletbigniliu= -61.332737 Net =18.815376)>( iinletbig = -417.71698 Outletbig= 411.44308 Net = 6.2738953); (2)对同一个截面上的传热量(inletbigniliu=42.517361 inletsmall =759.14355 Net= 801.66092)>(iinletbig= -417.71698 inletsmall =759.138 Net= 341.42102) 5结论 (1) 实验结论(如下图) 数值模拟的结果与实验结果分析结果一致说明fluent是可以用于换热器布置方式的研究的。 (2)换热器逆流布置比顺流布置换热量多，换热效果增强，换热效率高。 (3)数值模拟较实验直观，清晰，但是和实验有时会有一些偏差。 参考文献: 【1】吴值仁，毛四成(不同金属换热面对总传热系数的影响(制冷与空调，2010;10(2):23-25. 【2】 周士强(强化传热仔换热器中的应用(黑龙江石油化工，1998;(9):31-33. 【3】周承富等，陈小榆等.三通管二维湍流数值模拟[J] 甘肃石油和化工，2007.12 【4】杨世铭，陶文权.传热学[M] 第四版.高等教育出版社,474-477 【5】康丽萍.多出口蓄水池的三维数值模拟[J] 【6】管壳式换热器数值模拟与斜向流换热器研究[D]