摘要:为解决管壳式换热器传热效率低下的问题,以最典型的列管式换热器为研究对象,建立换热管内置转子组合式强化传热装置的三维模型,模拟换热管内流场、温度场、压力场以及换热过程,得到管内流体的流动规律和传热性能的计算结果. 模拟计算结果显示,内置转子组合式强化传热装置的换热管内尤其是近壁区域有较强的湍流度;转子与管壁之间缝隙内的流体有明显的螺旋环绕流动,可显著提高传热系数,并具有自清洁作用. 研究表明,利用CAE手段解决热交换过程的瓶颈问题,可大幅度提高能源利用效率,为实现节能减排的战略目标作出贡献.
关键词:传热; 节能减排; 列管式换热器; CAE; CFD; CFX
中图分类号:TB657.5文献标志码:A
Application of CAE on enhancement of heat transfer
resulting in energy saving and emission reduction
YANG Weimin1, 2, LI Yue2, LI Fengxiang2
(1. Electrical & Mechanical Eng. College, Qingdao Univ. of Sci. & Tech., Qingdao Shandong 266061, China;
2. Electrical & Mechanical Eng. College, Beijing Univ. of Chemical Tech., Beijing 100029, China)
Abstract: Focused on the low heat transfer efficiency of shell and tube heat exchanger, the tubular heat exchangers as the most typical heat exchangers are taken as the study object. A 3D model of concentric tubes inserted with rotors-assembled strand is built. Then the flow field, temperature field, pressure field, and process of heat exchange are simulated and the flow laws of the fluid and heat transfer performance in the tube are obtained. The simulation results indicate that there is stronger turbulence intensity in the tubes inserted with rotors-assembled strand, especially in the near-wall region. The liquid between rotors and tube wall which flows in an obvious spiral way can result in notable enhancement of heat transfer coefficient with self-cleaning effect. By means of CAE, solving the bottleneck problem of heat transfer will improve the energy utilization efficiency hugely and make a contribution to achieve the strategic target of energy saving and emission reduction.
Key words: heat transfer; energy saving and emission reduction; tubular heat exchanger; CAE; CFD; CFX
收稿日期:2009-[KG*9〗06-[KG*9〗17
基金项目:山东省“泰山学者”计划;青岛市科技计划(08-1-3-41-jch)
作者简介: 杨卫民(1965—),男,湖南会同人,教授,博导,博士,研究方向为高分子材料成型加工CAD/CAE/CAM技术等,
(E-mail)yangwm@mail.buct.edu.cn
0引言
在石化、电力、冶金和轻工等高能耗行业以及城市供热系统大量使用的管壳式换热器(见图1)中,普遍存在传热效率低下问题,而且由于无机物沉淀结垢、微生物滋生繁衍、污泥杂物淤积等在换热管内形成日益增厚的污垢层,传热效率大幅度降低,能源浪费严重.例如,数亿吨用于发电的煤炭资源,即使当今世界最先进的火电机组,其发电效率也在45%以下,其中近一半的能量在热交换环节损失,由冷凝器扩散到大气中.传热效率低下和传热表面积污结垢所造成的传热劣化问题一直是制约能源利用率提高的瓶颈,也是单位GDP能耗指标居高不下的重要原因.因此,热交换过程传热强化理论和技术是节能减排的重要课题,已受到世界各国的高度重视.
以工业生产中应用最多的列管式换热器为例,由于细长管内沿管壁流动的介质为速度缓慢的边界层,对流传热效率低,而且普遍存在管内结垢的问题严重影响换热(见图2).通常需要全面停车清洗或减负荷单侧交替清洗,如对可溶性结晶垢采用清水进行清洗,对难溶污垢则采用蒸汽干燥加冷却介质返流冲洗、机械清洗、化学清洗、射弹疏通和高压水射流冲洗等方法处理.显然,这些都属于暂时性的、治标不治本的被动清污除垢方法.同时,清洗过程还伴随着大量的污水排放,造成环境污染.
理想的换热管强化传热技术应兼具强化传热和在线自动清洗功能[1,2], 否则传热面上的污垢会使一切强化传热的努力变为零[3].若能改变换热管内流动状态,形成1种兼具自清洁和强化传热双重效果的流动场,就可以解决上述问题.为此,发明1种转子组合式强化传热装置——“洁能芯”, 其工作原理示意图见图3,具有在线自动清除污垢和强化传热双重功能.
该装置由固定架、转子和支撑轴等部件构成.分别将两固定架承插固定在传热管的两端;转子的外表有螺棱,转子上有中心孔;将支撑轴穿过转子的中心孔固定在两固定架上.在换热器传热管内放置多个转子,转子的总长度略小于传热管长度.转子外径小于传热管内径,转子的中心孔直径略大于支撑轴外径,支撑轴的中心线与传热管的中心线基本重合.转子在流体介质作用下不需要外部动力即能自如转动.在介质冲击下,转子自动悬浮于换热管中心,并且当流场稳定时,可将管内转子看作整体同步转动.由于转子的转动特性对换热管内流体的速度、压力及温度场分布有影响,而速度、压力及温度场的分布直接关系着换热管的流动与传热特性,所以研究换热管内转子扰流流场的流动与传热特性对优化转子结构、提高转子的工作性能具有重要意义.对这一问题的研究,实验方法效率很低,难以得到优化方案.采用CAE效率较高,但难度较大,涉及流固耦合问题,需对换热过程进行流体动力学和传热学分析,进而实现系统性能的整体优化.
1换热管内介质强制扰流与强化传热过程的数值计算
1.1模型建立
1.1.1实体模型
从工业实际应用最广的列管式换热器中抽取1根换热管进行研究.为便于模拟分析与实验结果的对比,分析模型和实验装置均采用内外套管的结构形式,管内安装直径19 mm,导程为300 mm的“洁能芯”转子.建模时,实验用换热管长2 000 mm,仅取其中1个导程,即300 mm,内管直径23 mm,壁厚1 mm;外管直径36 mm,并将外管简化成绝热面;内管装入连接成串的转子,当管内流体流动状态稳定时,转子趋于同步转动,因此可将所有转子看成1个整体建立实体模型(见图4).采用大型CFD前后处理器ICEM CFD建立流场分析区域,采用RNG k-ε湍流模型.
1.1.2网格划分
由于流场属于流固耦合强制扰动的复杂流动,网格划分会直接影响到流场数值模拟结果的准确性,尤其对近壁区域要求更高.该模型采用六面体网格划分,节点总数为280 478,网格总数为244 680,见图5.把划分网格的有限元模型输出成与求解器相对应的文件格式,为求解做好准备.
1.2计算设置
采用大型CFD软件CFX 5.0对内置“洁能芯”的换热管进行数值模拟.将模型导入CFX前处理器,设置导入单位为mm.由于流体湍流为各向异性,切向速度的脉动比轴向速度的脉动剧烈,而RNG k-ε模型对瞬态变流和流线弯曲影响的预报能力较强,因此湍流模型选用RNG k-ε模型.稳态分析时使用多重参考系法计算,设置求解迭代次数为100,差分格式采用1阶迎风,计算残差取1×10-4.
1.3边界条件设置
流场区域:流体在装有“洁能芯”转子的换热管内流动时,在转子的导流作用下大致呈螺旋形,因此设置流场区域的运动性质为rotation,采用旋转参考坐标系[4],根据实验得出的数据在流体0.2 m/s的流速下转子的转速是10 r/s,因此指定参考系坐标的旋转角速度为10 r/s.
进口边界:采用速度进口边界条件,内管进口速度uin=0.2 m/s,温度tin=15 ℃,旋转结构形式;外管进口速度uin=0.2 m/s,温度tin=30 ℃,湍流项均为Medium(Intensity=5%).
出口边界:采用压力出口边界条件,内管出口为旋转结构形式.
壁面条件:管壁壁面采用无滑移固定粗糙壁面,内管壁壁面热流量守恒,外管壁绝热,近壁面区域流动计算的处理采用Scalable壁面函数模型.内管的两壁面都设为Fluid-Solid交界面.流体与转子的接触面设为Periodic Fluid Solid交界面.
2计算结果与讨论
2.1速度场分布
列管式换热器的普通传热管(光管)内流体基本沿轴线呈直线流动.[5-6]但是,对于内置“洁能芯”的传热管,模拟结果显示出管内流体的流动发生显著变化,整体上呈有规律的三维螺旋状旋转流动,见图6(a).螺旋型流动状态加剧流体的湍流强度及边界层扰动,并可以防止污垢沉积,使传热强化并起到清洁作用.图6(b)为横截面上切向速率分布图.从图中可清晰地看见流线分成两部分,在转子边缘与管壁之间区域内流线呈环绕型的螺旋流动,切向速度加快(颜色由浅到深表示速度值由慢到快),边界层的滞留状态改变,使边界层受到剧烈扰动,由此获得管内的自清洁效果.转子宽度内的流体在转子的导流作用下,有着明显较大的轴向速度和切向速度,由切向速度分量产生的离心力会使流体中间区域密度较大的冷流体趋于向外流动,与靠近边缘的密度较小的热流体相混合,这种径向混合现象可更有效地提高换热效率,起到强化传热的作用.(a)管内介质整体螺旋状流场
(b)横截面上切向速率分布
2.2湍流动能分布
从进口方向观察的转子壁面流体的湍流动能见图7.可以看到在转子作用下流体湍流动能的分布与变化:在进口处湍流动能较小,最小值为2.832 ×10-4 m2/s2,出口处达到最大值1.79×10-3 m2/s2,转子叶片迎水面的湍流动能比背水面大,但不管在轴向还是径向,其湍流动能都呈增加趋势,沿管长方向的发展越来越充分,到一定程度之后管子任意横截面的大部分湍流动能的分布也逐渐趋于均匀,热量的传递也会趋于均匀,有利于换热.
2.3压力分布
传热管内压力分布见图8.从图中可以看到压力从进口到出口呈下降趋势.根据能量转化原理,流体流经换热管时,将一部分能量传递给转子,一部分能量用来克服流动阻力,到出口时流体的能量必然减少,压力也会相应下降.[7]
从图8可以看出,在转子旋转轴附近的压力较低,随着管长的增加和螺旋流的逐渐形成,甚至相对压力出现负值,这是由于流体在离心力作用下趋于向外流动,内部压力就会减小甚至形成负压,流体在这个地方必然出现二次流,可以增加流体的径向扰动从而增强换热,但是发展到出口边界时就会有明显的回流现象.在模拟计算过程中出现相应的提示信息,由于求解过程中如果区域的边界设置在有二次流的地方,会出现质量不守恒现象,求解器就会暂时自动将出现二次流的区域设置为壁面边界阻止二次流,并继续根据质量守恒方程求解.[8]由于回流区域占出口截面积很小部分,对计算结果影响不大.
2.4温度场分布
因传热管内的流体湍流度增强,故温度场分布有所改善.图9为换热管内管流体任意与管壁平行的截面温度分布.
由图9可见流体的温度变化较快,这是由于实体模型长度较小,只有300 mm,流体的各强度参数都未达到充分发展状态,内管流体被迅速加热,所以温度由进口至出口逐渐升高约1℃,传热效果较好.由于前面所说的出口端回流现象,导致出口端流体温度降低约0.1℃.图10为传热管内流体出口截面温度分布情况.管内三棱转子逆时针旋转,在螺棱迎水面温度较高,背水测温度较低,在管内热流体向管外冷流体传热过程中,与光管相比径向对流传热效果明显增强.
图11为传热管表面传热系数分布.进口处表面传热系数较高,向出口方向逐渐下降,但整体表面传热系数分布比较均匀,约为1.4×103 W/(m2•K),而光管的表面传热系数会随管长的增加下降很快[5],这对于换热器效率的提高具有重要意义.为了提高换热效率通常都会增加管长,但是表面换热效率沿着管长下降过快就使增加管长的效果大大减弱.因此,表面换热系数分布的改善也是一项有效的强化传热措施.
3实验结果与模拟计算结果对比分析
为检验CAE分析方法是否正确,判断模拟计算结果精度是否满足工程应用要求,本项目从换热管内介质流场和总体传热系数两个方面进行实验测定和模拟计算结果的对比分析.
3.1管内介质流场粒子图像速度场测试
为研究传热管内介质流场在“洁能芯”转子强制扰流作用下的速度分布,采用粒子图像速度场测试(Particle Image Velocimetry, PIV)方法进行实验测试.实验所用的粒子图像测速系统由美国TSI公司生产,实验装置及测试原理见图12.该系统主要由以下几部分组成:Nd:YAG双腔脉冲激光器及其附件1套,片光源透镜组1套,高祯速CCD相2套,高时间分辨率同步器1台,高速数据接口板和轴编码器各1个,图像采集分析系统软件1套,计算机1台.为完成该实验,制作的透明试样见图13,配制NaI溶液作为管内流动介质并使其与透明有机玻璃的折射率匹配,选择粒径8～10 μm的罗丹明B荧光粒子作为示踪粒子.采用该PIV方法实际测得管内介质流动速度场分布结果见图14.
由图14可见,传热管内中心部位的低速区是“洁能芯”转子轴心区域,靠近管壁的是高速区域,这与图6所示的模拟结果完全吻合.
3.2总体传热系数的实验测定
总体传热系数的实验装置及其原理见图15.当控制管内流速变化时,在13个时间点上同时采集各个参数,包括管内外流速和管内外进出口流体温度,所得实际测定值见表1.对13组数据分别按照工业实际情况,将管内外介质进出口流速和进口温度作为已知量,而将管内外出口温度作为未知量进行CAE模拟计算,以总体传热系数与管内流速的关系曲线为考察对象,将模拟值与实测值对比见图16.由图可见,模拟计算结果与实验结果趋势一致性好,各点偏差均在10%范围之内.
4结论
CAE在换热器强化传热领域具有广阔的应用前景.利用CFD软件可以有效模拟各种复杂工况条件下的紊流场和传热特性.传热管内置转子组合式强化传热装置换热管的三维流动和传热问题采用RNG k-ε湍流模型进行模拟,计算结果精度较高,能够满足工业应用要求.
通过CAE仿真模拟和实验研究发现,内置转子组合式强化传热装置的换热管内介质流场发生根本性的变化,流体的流动由通常的直线流动变为规律性的三维螺旋形旋转流动.在转子与管壁间的环缝区域内,流体呈螺旋形环绕流动,带有明显的切向运动,切向速度随半径增大而减小,轴向速度随半径增大而增大,有效消减边界层的厚度,打破管壁层流边界,可抑制污垢沉积和微生物滋生,达到自清洁效果,大幅度消除传热过程中的污垢热阻;由于转子的扰动,增加流体的湍流强度,有利于对流传热过程的强化.流体内部轴线附近的负压现象有利于二次流的形成,增加流体的径向扰动,从而可进一步增强换热.
利用CAE手段解决高耗能工业领域热交换环节的瓶颈问题,可大幅度提高能源利用效率,为实现节能减排的战略目标作出贡献.
致谢:本文中传热性能实验数据的测定在清华大学过增元院士实验室完成,得到过增元院士、李志信教授和孟继安高工的大力支持;课题研究得到山东省“泰山学者”计划和青岛市科技计划(项目编号:08-1-3-41-jch)的项目资助,在此表示衷心感谢.
参考文献:
[1]任建新. 物理清洗[M]. 化学工业出版社, 2000.
[2]郁秀敏,吴金香.流体动力在线自动除垢及其传热强化新技术[J]. 节能, 1990(11): 25-28.
[3]日本实用节能机器全书编委会. 实用节能全书[M].北京: 化工出版社,1987.
[4]张凤涛, 刘芳, 黄雄斌. 高固含搅拌槽内临界离底悬浮转速的数值模拟[J]. 过程工程学报, 2007, 7(3): 439- 444.
[5]张琳, 钱红卫, 宣益民, 等. 自转螺旋扭带管内三维流动与传热数值模拟[J]. 化工学报, 2005, 56(9): 1633-1638.
[6]张琳, 钱红卫, 宣益民, 等. 内置扭带换热管三维流动与传热数值模拟[J]. 机械化工学报, 2005, 41(7): 66-70.
[7]钱键, 刘超, 汤方平, 等. 离心泵叶轮内部三维紊流数值模拟与验证[J]. 农业机械学报, 2005, 36(1): 32-34.
[8]甘加业, 林清宇, 吴爽. 换热管内装微型液轮机三维紊流场数值模拟[J]. 装备制造技术, 2005(2): 3-7.
(编辑廖粤新)
推荐访问： 传热 节能 强化 CAE 减排中