翅片管式换热器传热与流场流动特性的数值模拟.pdf

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1、第40卷第3期化工机械347翅片管式换热器传热与流场流动特性的数值模拟+韩建荒¨h’2刘扬h李君书3王尊策仆李森仆(1．东北石油大学8．石油工程学院．b．机械科学与工程学院；2．中国石油天然气第八建设有限公司；3．大庆油田庆升实业公司庆升化工厂)摘要在对大型翅片管式换热器结构合理简化的基础上，应用CFD和数值传热学方法，建立了翅片管式换热器内部漉动与传热的数学模型，得到了其内部流场和温度场的分布规律。并将数值模拟结果与现场应用数据比对分析，结果表明，研究方法可行，能为换热器的设计和改进提供参考和借鉴。关t词翅

2、片管式换熬器结构数值模拟流场中圈分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2013)03-0347-05扩展表面强化传热在换热器中已得到广泛的应用，翅片管是最常见的扩展表面形式之一⋯。目前对翅片管式换热器的研究主要还是以工程计算和试验研究为主。章国芳和蔡佳莹对空调用翅片管换热进行了数值模拟研究，模拟结果与实验数据相符较好心J。桑迪科和黄思对换热器进行三维数值模拟，分析了螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器的性能差异”J。而目前对于大型的换热器数值模拟研究较少。笔者针对油田注汽锅炉用大型翅片管式

3、换热器开展了数值模拟研究，得到了换热器内流体流动特性和温度分布的规律，为大型换热器结构优化设计提供了依据和借鉴。1换热器的基本结构参数及整体模型简化笔者研究的换热器是油田用注气锅炉的对流段，由14排共计162根翅片管组成，每根翅片管长3792mm，翅片管基管外径89ram，壁厚13ram，翅片高度19mm，翅片间距8ram，翅片最薄处仅有2．3ram。由于翅片的几何尺寸较小，为能准确计算出翅片的导热情况，网格的最小尺寸不能取太大，同时需要对管外烟气和管内工质的对流进行耦合计算，这就要求管壁和管外都需要布置网格

4、，整体建模的思路必将产生数量巨大的网格，在实际模拟计算中受到计算机软硬件的限制。为了便于计算，在实际情况的基础上对翅片管换热的物理模型作如下简化假设：a．流体为各向同性的均匀、连续不可压缩的牛顿流体；b．计算区域中的换热与流动是稳态的；c。烟气流动与翅片平行，且烟气进口处截面流体的速度、温度均匀分布，工质进口处温度分布均匀；d．基管与翅片的导热系数为常数，且忽略基管轴向导热对换热的影响；e．对辐射换热和重力影响忽略不计，且不考虑翅片管的污垢热阻。通过对翅片管换热器几何形状进行分析，发现与管束轴向垂直的截面形状

5、和尺寸均相同，都为矩形和梯形的组合。在受热管束轴线的中点取如图1所示方框中的区域作为计算域进行数值模拟。计算域的截面与管束轴线方向垂直，沿轴向的长度为24ram，包括3个翅片。·国家科技支撑计划项目——石油装备制造业创新技术服务平台建设(2012BAH28F03)。··韩建荒，男，1962年3月生，高级工程师，董事长，总经理。黑龙江省大庆市，163318。348化工机械2013年Ik}“⋯～镕％一⋯．．．_赫÷一¨，：))I。’’⋯“‘”””“0％；“⋯”’】一】f，i’f一～⋯一!i苎笋——61““”⋯。—

6、—。“——’一叫：黧：：篡鬻黧耋黧“!÷～⋯⋯——q4—j一黧慧：篓鬻：訇')·1图1简化的计算域示意图2翅片管换热器数值模拟计算方法2．1翅片管换热器的数学模型连续性方程：旦(pUi)：0(1)石f动量方程：毒(puiuj)一毒+骞(2)流体域的能量方程：毒h(pE+p)]=蠹(t。。舞一事k以．+叶("rqh)+s。(3)固体域的能量方程：毒c咿E，=毒(t箬)+-s．c4，式中E——内能；．，，——组分扩散通量；r静压；S。——热源项；k。。——有效热导率；丁ii——应力张量。2．2网格划分通过对几何结

7、构进行拓扑分析，所有的网格均采用六面体单元生成，如图2所示，这样在保证计算精度的前题下，降低了总体的计算量，总的网格单元数为363．6万。2．3设定边界条件在边界设定时将整个计算域分为固体域和流体域两个计算域。烟气流过的区域设定为流体域，翅片管所在的区域设定为固体域(图2)。由于在温度场的计算时流体域和固体域相互影响，存在强耦合因此将流固交界面设定为耦合壁面，以此实现固体区域与流体区域的共轭传热。固体区域只计算固体的能量方程，在流固交界面上满足以下温度和热流密度连续的条件：州7t⋯II廛固憩袋牒．．震爨藩鬣堕

8、醐阍鳓嗡嘞冁◇塑醪『_二坐j赣囔蠹囔蓟彝鬻!》曦蠲鬻黻籀蕊漆盘茹蕊醯匾稿黼潼遴叠盔盛釜图2整体的网格划分及边界Tvs=TrI，(5)一A(豺。一(豺，㈤换热器边壁的边界条件设定为壁面，由于有良好的保温所以此处热边界设定为绝热。为提高计算效率，节省计算时间，在确保计算精度的前提下，充分利用锅炉烟气流道的对称性，计算域外侧与管束轴向垂直的两个截面设定为对称面。烟气入口设定为速度人口边界条件，出口设定为压