气液两相流对板式换热器影响的模拟研究.pdf

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1、第41卷第5期化工机械623气液两相流对板式换热器影响的模拟研究+张仲彬料刘乐宜王丙林徐志明(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要用Fluent软件对人字形板式换热器冷流道中气液两相流的4组不同工况进行了模拟研究。分析了冷流道中两相流体的流动和换热特性以及气体在流道中的分布状况。结果表明,由于气相的扰动作用,使进出口连线一侧传热死区的换热状况有了很大改善;在一定含气率范围内,随着空气体积含气率的增大,增强了板式换热器的换热效果。关键词板式换热器气液两相流体积含气率数值模拟中图分类号TQ051.5文献标识码A文章编号0254_6094(2014)05旬62

2、3.06板式换热器(PHE)由于具有传热效率高、易维护及有效利用低温能源等特点,多年来被广泛应用于各个领域。板式换热器大多应用在液液流动中,随着研究领域的拓展,在现代许多行业的生产设备中都涉及到气液两相流动,所以近些年对于气液两相流动的研究逐渐增多。两相流各参数的在线实时测量与控制是生产稳定的重要保证¨。。近几年对两相流在微通道中的研究取得了一些成果‘2’31,赵楠用数值方法对垂直人口型微通道中的气液两相流进行了研究¨1,阐述了气泡、气塞的生成原因和过程。Ma—suoKaji等研究了微通道中的气液两相流,发现流体流动方向、管道材料和加热条件对流动时的摩擦

3、压降影响不大,并且空隙率随着管子直径的减小而减小"1。但由于板式换热器中的流动比较复杂,所以关于板式换热器中两相流研究的文献还不是很多。shiomiY等研究了混合波纹角人字形板通道中的气液两相流动,发现在水平流动时可观察到层流和扩散流,并且在水平流动中两相流型和压降受上板片波纹角的影响很大¨1。NilpuengK和WongwisesS对单流道板式换热器中气水两相流进行了研究,发现在逆流垂直向上和向下流动中气水速度对两相压降有很大影响,但两相的流型对压力损失影响不大"1。Vlaso.giannisP等对板式换热器中气液两相流流动形式和传热系数进行了研究,发

4、现当流道中为带有连续气相的流动或以溪流形式流动时对传热特性的改善很有帮助呻1。为了充分利用板式换热器热损失小、阻力损失小等优点,对气液两相流条件下板式换热器性能的研究是必要的。因此,笔者用数值模拟方法对板式换热器中气液两相流的流动换热和气体在流道中的分布进行了研究,找出适合换热、减小压降的最佳参数,为换热器的经济运行提供依据。1换热器的数值计算模型1.1物理模型图1为换热器板片计算物理模型,在图1中:冷热流体单边逆向流动,热流体从上侧流道A端口流进,B端口流出;气液两相冷流体从下侧流道C端口流进,D端口流出。笔者所用的人字形板式换热器的板片材料为304不

5、锈钢,板片参数如下:外形尺寸258mm×100mm试件流程(1×5)/(1×6)板间距2mm波纹角度1200单片有效面积0.015m2试件传热面积0.150m2+国家自然科学基金资助项目(51076025)。料张仲彬,男,1973年4月生,副教授。吉林省吉林市,132012。624化工机械2014年当量直径4mm波纹深度2mm试件片数12板片厚度0.6mm角孔直径20mm波纹法向节距6mm单流道截面积166mm2图1板片计算物理模型1.2相关假设由于研究流道内温差较小,采用标准RNG后一8模型对流道内的流动、换热进行模拟,作如下假设:a.热流体和两相冷流

6、体都设为不可压缩的牛顿流体;b.忽略动量方程中体积力的影响;c.不考虑重力和浮升力产生的影响;d.不考虑流体流动过程中由于粘性耗散产生的热效应;e.流体的进口速度和温度已知,为模拟需要,计算了进口压力和出口温度。1.3数学模型用Fluent数值计算软件,将气相和液相视为连续相,选用欧拉一欧拉双流体模型描述气、液两相流之间的相互作用。其控制方程如下:动量方程景(p。妒。u:)+告(p。妒。u:一妒。f:)=p。妒。g‘a‘d5—9。兰+肘:,d:1,2(1)连续性方程—当(_p。妒。)+d而(P。妒。u。)=o(2)体积分数守恒方程∑9。=1(3)式中i文

7、li}——矢量在石、八z3个方向上的分量;u。——介质速度,m/s;a——代表相态(气相、液相);P。——介质密度,kg/m3;下。——粘性剪切力,kg/(m·s2);妒。——体积分数,%。双流体模型通过动量传递系数A础来确定相间的动量传递,气、液两相间相互作用力沙。为:吵。=∑A。.卢(Ⅱ芦一M。)A。,口=A口.。≥O(4)k。咄,护⋯[警(⋯.15∥⋯),o.叫RNG七一占模型:啬氓小小V‘H小。u。一㈦等卜])-以P。仉¨(5)告c脚。t小V。[蚴。t^一(p+等)V占。】弧卺cbP。叱P^,㈤卢h=App。I』l、6’a,式中而——湍动能,是漩

8、涡强度波动变化率,m2/s2:8——湍流扩散率,m2/s2。1.4边界条件进口边

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