椭圆管与扁管管板式换热器换热性能的分析比较
摘要:本文对椭圆管与扁管管板式换热器的充分发展的周期性层流流动与换热特性进行了数值计算分析,给出了在400<Ｒｅ<4000范围内的Ｎｕ与阻力系数ｆ的拟合公式。在三种准则(相同质量流量、相同泵功率和相同压降)下对两种形式换热器的强化换热效果进行了比较,结果表明,在本文的研究参数范围内,扁管管板式换热器的换热效果要优于椭圆管管板式换热器。
1引言
换热器是一热量交换的装置,广泛应用于化工、冶金、空调、电力以及交通运输等方面。在热量交换过程中,必须消耗能量,从而换热器追求的目标是:如何以最小的功率消耗获得最高的热交换效率。为了达到这一目标,换热器在设计中采用了各种各样的强化传热形式。管板式翅片是一种很有效的强化换热形式,广泛应用于强化管外空间气体对流换热的装置。图1是一种非典型的扁管管板式换热器的示意图。从20世纪60年代以来,对管板式翅片换热器的研究有了很大的进展。其中,对圆管管板式换热器的研究已经相当成熟,这方面的研究工作主要都集中于雷诺数以及管排数、翅片间距、管间距等结构参数对换热器强化换热效果的影响〔1,2〕。目前应用的管翅式换热器主要都是这种形式。对于椭圆管管板式翅片换热器的研究结果表明,椭圆管的流线型结构可以有效的减少翅片侧的流动阻力,降低能耗〔3〕。因此,椭圆管管板式翅片换热器的研究开发日益受到人们的重视。近年来,有些学者开展了一种新型的带有小翼型涡产生器的扁管管板式翅片换热器的研究工作,结果表明,这种结构形式的换热器具有很好的强化换热效果〔4〕。但是对椭圆管和扁管管板式翅片换热器的强化换热效果的比较的研究还比较少,因此本文将对这两种不同结构形式的换热器的流动与换热特性进行数值计算研究,对它们的换热性能进行比较分析。
2模型和求解
2 1物理模型
图2(ａ)-(ｂ)为本文计算研究的物理模型以及结构尺寸。对于两种换热器,以下尺寸下同:板间距Ｔｐ=5ｍｍ,一个周期内的长度Ｌ=110ｍｍ,纵向管间距Ｓ2=55ｍｍ,横向管间距Ｓ1=40ｍｍ。翅板的厚度δ=0 5ｍｍ。本文椭圆管的长半轴取ａ=23 15ｍｍ,短半轴取ｂ=7 7ｍｍ。扁管的长度为Ｌｆ=46 3ｍｍ,扁管的宽度为ｃ=6 3ｍｍ。由于本文研究的是充分发展的周期性层流流动,因此计算区域可以按对称性条件取为图3所示。计算的边界条件如图。对于固体壁面(管和翅板)采用无滑移边界条件。
2 2数学模型及求解
由于翅板的厚度较小,文中不考虑翅板沿厚度方向导热的影响。因此可以通过求解如下的不可压常物性稳态三维Ｎ-Ｓ方程和能量方程来获得流动的速度场和温度场,进而分析换热与阻力特性。
2 3计算方法可靠性的验证
作者对单排圆管管板式换热器的流动与换热进行了计算,计算结果与文献〔5〕的实验结果如图4所示。图中横坐标为沿流动方向的距离,纵坐标为通道中一个纵向截面的舍伍德数。从图中可以看出,本文的计算结果与实验结果吻合的很好,因此本文的计算结果是可靠的。
3计算结果
采用上述的模型,本文在400<Ｒｅ<4000范围内对两种换热器进行了数值模拟计算。计算结果如图5所示。采用最小二乘法对通道的平均努谢尔特数和阻力系数拟合,结果如下。
椭圆管管板式换热器:
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平均努谢尔特数和阻力系数拟合结果的平均误差分别为0 38%和1 9%。
扁管管板式换热器:
平均努谢尔特数和阻力系数拟合结果的平均误差分别为0 49%和2 0%。
4换热性能分析评价换热器的换热性能有很多准则。本文计算是在恒壁温的条件进行的,因此作者采用相同质量流量、相同泵功率和相同压降三种准则对椭圆与扁管管板式换热器的换热性能进行了对比分析。三种评价准则如下。相同质量流量准则:
式中的Ａ为通道的传热面积,上标 代表扁管管板式换热器的参数。因此在相同的温差下扁管与椭圆管管板式换热器的传热量之比为
表1为不同的雷诺数下两种换热器的性能比较结果。在Ｒｅ=412的情况下,在相同质量流量、相同泵功率和相同压降的条件下,扁管管板式换热器的强化换热效果比椭圆管管板式换热器分别高26 6%、43 9%和35 3%。从表中的数据可以看出,两种换热器的换热性能与Ｒｅ数密切相关,随着Ｒｅ数的增加,扁管管板式换热器的强化换热能力逐渐减弱。当Ｒｅ=2472时,相同质量流量准则下扁管管板式换热器的换热能力已经低于椭圆管管板式换热器。
5结论
本文在400<Ｒｅ<4000的范围内,对两种形式管板式换热器的换热与阻力特性进行了数值分析研究,给出了努谢尔特数与阻力系数的拟合公式。在三种准则(相同质量流量、相同泵功率和相同压降)下,对两种换热器的换热性能进行了比较,结果表明,两种换热器的强化能力随着Ｒｅ的变化而变化。在低Ｒｅ(Ｒｅ<2500)下,扁管管板式换热器的换热性能明显优于椭圆管管板式换热器。
