管壳式换热器文献综述

  本文关键词：翅片管换热器传热特性的数值模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

翅片管换热器传热特性的数值模拟研究文献综述 姓名：姜晴班级：热动 1 班
引言
能源是人类社会生存和发展的重要保障。近年来;我国工业化和城镇化步伐 加快,能源需求量进一步增加。据有关专家预测,若以 2000 年我国能源消费数据 为基点 , 到 2010 和 2020 年 , 我国能源消费总量增长幅度将分别达到 38% 和 89%,2010 年能源消费总量将增长

到 22.4 亿吨标准煤,而 2020 年则为 25.5 亿吨 一 30 亿吨标准煤[1]。 由此可见,在未来几十年里,随着我国经济的飞速发展和人 口的不断增长,能源供给相对不足的矛盾将日益突出 ,能源供给问题将成为制约 我国经济社会发展的重要因素。 为确保我国经济平稳、 协调和可持续发展,寻找新能源或可再生资源,以及合 理地利用现有资源将是关键所在。对于合理利用现有资源,我国政府提出在“十 一五”期间,各级政府和企业要把“节能减排”工作放在重要地位。我国目前的 能源利用效率仅为 36%左右,远低于发达国家 50%的能源利用率水平[2]。而我国 能源利用率低下的一个重要因素,是大量工业余热没有得到充分利用。有统计数 据表明,我国钢铁、有色、化工、建材、石化、轻纺、机械等几大能耗大户,余热 利用率仅为 4%一 5%,工业炉窑热效率低于 70%[3]。 不同温度水平的余热其利用价值也不同,一般可将余热资源分为高温余热、 中温余热和低温余热。 由于不同物质形态的余热,可利用程度不同,所以温度划分 也有差别。 对于固态余热,500℃以下的为中、 低温;气态余热 200℃以下的算中、 低温;对于液体余热 80℃以下可视为中、低温[4]。从现代热物理学的观点来看, 同样多的热量,在不同的温度下可供利用的价值不同。 余热源的温度越低,能量的 品位就愈低。而据统计,在工业生产中,人们所利用的热能中平均有 50%最终以低 品位余热的形式直接排放[5]。 这部分未经利用的余热直接排放到环境中,不但造 成了巨大的能源浪费,也给环境带来了严重的热污染。 据初步测算,能源利用效率 每提高 1 个百分点,即可节省能源费用 130 多亿元[6]。 总的说来,我国能源利用效率低,节能潜力巨大。随着化石燃料的日益枯竭 和环境问题的日渐严峻,中低温余热的回收利用技术将成为节能领域研究的重要 课题。

学号：20120390115

一、强化传热技术发展现状
强化传热技术,一般是指通过对影响传热的各因素的分析和计算 ,采用某些 技术措施以提高换热设备的换热能力 ,或者在满足原有传热量条件下,使换热设 备尺寸减小,并减少换热器的阻力和动力消耗,从而更好的满足现代化生产的需

要。作为热工过程的通用设备之一,换热设备广泛地应用于动力、冶金、石化及 制冷等行业。近年来,由于全球面临着能源短缺的威胁,因而在换热设备设计制 造领域纷纷引入了强化传热技术。

1、强化传热的途径和分类
要使换热器中传热过程强化,要提高换热器在单位面积、单位时间内的换热 量,可以通过三种途径来实现,即:增大平均传热温差、增加换热面积和提高传热 系数。 (1)增大平均传热温差。 增大平均传热温差的方法有两种:一种是当冷热流体 进出口温度一定时,可以通过流程的布置来增大平均温差,同样的进出口温度下, 逆流布置的温差比顺流布置大,因而换热器布置尽量采用逆流或接近逆流的布置 形式;另外一种方法是提高热流体温度或降低冷流体温度。 (2)增加换热面积。 增加传热面积是研究得最多的一种强化传热方法,也是一 种很有效的强化换热途径。 它主要通过对对流换热面结构的改进来增大单位体积 的传热面积,从而使得换热器更加紧凑。 采用扩大换热面后,不仅能够增加换热面 积,降低对流换热热阻,而且如果结构选择合适,还能提高换热器的传热系数。增 加换热面积有多种形式,如采用翅化表面的翅片管、螺纹管、板翅式换热面等 ; 采用异型表面,包括各种凹凸形、波纹形、扁平形传热面以及截面形状和大小变 化的流道,这不仅使传热面积有所增加 ,还使流动状态改变,增大扰动度,减小边 界层厚度,从而强化传热;采用小直径的管子,有两方面的好处,首先,管径减小可 以在相同体积内布置更多的传热面,使换热器更紧凑,其次,管径减小后,管内紊 流度增大,可使层流底层变薄,换热系数加大;采用多孔表面,用金属微粒或丝网 烧结,涂敷于传热面上,或用化学、机加工等方法形成多孔表面,不仅增加了传热 面积,而且会改善换热状况,对于强化沸腾和凝结过程特别有效。 (3)提高传热系数。增大换热面积和平均传热温差在工程实际中往往受到多 方面条件的限制,因此,在换热面积和平均传热温差给定时,提高传热系数成为了 唯一的强化传热途径。所以,当今提高换热器的传热系数以增强传热已经成为研 究的重点。提高传热系数,有以下途径:提高传热面两侧的换热系数;选用导热性 能良好的材料作传热间壁,并尽可能减薄间壁厚;避免或减小污垢热阻。 理论计算 表明:当传热过程各环节的分热阻数量级接近时,应同时减小各分项热阻;当传热 过程各环节分热阻数量级较悬殊时,应设法减小最大分热阻[7]。 此外,强化传热技术还可以从其他角度进行分类。 从强化传热过程来分,可分 为导热过程的强化、单相对流换热过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传热 过程的强化和辐射传热过程的强化;从提高强化传热系数的各种强化传热技术来 分,则可以分为有功强化传热技术(亦称主动强化传热技术或有源强化传热技术)

和无功强化传热技术(亦称被动强化技术或无源强化技术)两类。 有功强化传热技 术需要应用外部能量来达到强化传热的目的,包括机械强化法、振动强化法、静 电场法和抽压法等;无功强化传热技术不需要运用外部能量即能达到强化传热的 目的,包括表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装设强化元件法、加入 扰动流体法(添加剂法)等[8]。

二、翅片管式换热器研究进展
在换热器两侧流体的换热系数相差较大时,在换热系数较小的流体一侧加上翅 片,可增大换热表面积并促进流体的扰动减小传热热阻,有效地增大传热系数,从 而增加传热量,翅片管换热器就是基于这种考虑而产生的。翅片管式换热器是人 们在改进管式换热器的过程中最早也是最成功的发现之一 ,直至目前,这种方法 仍是所有各种管式换热器强化传热方法中应用最为广泛的一种,因此对翅片管换 热器流动传热性能的研究也成为国内外众多学者所关注的热点。

1、国内研究进展
1994 年,李安桂、吴业正[9]撰文,主要讨论了具有对流、辐射及导热同时存 在的矩形直翅片换热问题的解析解法。文中给出了一种能够求解对流、辐射及导 热同时存在时翅换热的线性化解析方法。利用该方法得到:综合换热作用下矩形 直翅中温度分布的公式、翅体散热量计算式和综合换热作用下翅效率表达式。 同年,康海军等[10]采用实验方法研究了 3 种翅片间距和 3 种管排方式的 9 个平直翅片管换热器的换热和阻力性能。研究表明,翅片间距对换热的影响与 Re 数有关,并且随翅片间距的增加,翅片管束的阻力减小,而管排数对阻力系数没有 明显影响。在实验 R。数范围内,相同翅片间距下,二排管的换热性能比三排管好 一些,三排管与四排管的换热性能无明显变化。 文献[11]中,作者通过风洞试验研究了不同进风角度对钢制椭圆翅片管散热 器传热及阻力特性的影响,结果表明,进风角的增加对传热系数的影响不显著,而 且随着风速的提高,进风角度对传热系数的影响越来越小 ;但进风角度对气流阻 力的影响很大,在风速相同的条件下进风角度越大,气流阻力越大;在进风角度相 同的条件下,迎面风速越大,气流阻力越大。 浙江大学冯踏青等对针刺型三维螺旋翅片管建立了管外换热微分方程,得到 了该管外侧翅片的一些结构参数的优化值 ,并通过管外强迫对流换热试验 ,归纳 出一定排列方式下的换热和流阻的试验关联式 ,经与圆翅片管比较,结果表明该 新型换热管为一种高效的换热管件[12]。 屠珊等[13]采用稳态的恒壁温法对 3 个椭圆翅片管空冷器和 1 个圆翅片管空 冷器的传热和阻力特性进行了实验研究,得出了椭圆翅片管换热器比圆翅片管换 热器的换热性能要好,且流动阻力也要比圆翅片管换热器要小。

在文献[14]中,作者以试验为基础,对螺旋翅片管管束的传热和阻力特性进 行了研究,得出了换热特性和阻力特性的无量纲的准则关系式,并对横向节距、 纵向节距对换热和阻力的影响作了分析,研究结果表明,随着翅片管横、纵向节 距的增大,换热系数减小,其中横向节距的影响远大于纵向节距的影响,起绝对 主导作用。同时,随着横、纵向节距的减小,流阻减小,但纵向节距对流阻的影 响不如横向节距。 文献[15]中,研究人员对翅片管式换热器结构进行了优化设计和改进,并采 用 TESCOR 平台—换热器性能实验台对改进前后的换热器的热力性能进行了测试。 提出了强化翅片管式换热器换热性能的两种方法:一种是将低温工况下易结霜的 换热器(蒸发器)翅片管设计成变间距翅片结构,使其既增加了管内翅片的传热面 积,又提高了管内气流的流速 ;另一种是将空调工况下的换热器的等螺距内螺纹 管设计成变螺距内螺纹管,以增加管内气流的扰动,提高传热系数。 在文献[16]和[17]中,研究人员分别对强化换热情况下螺旋翅片管束和圆形 翅片管束的换热与阻力特性进行了实验研究,并拟合得到了传热系数和阻力系数 的关联式。 综上所述,近年来国内外学者对翅片管式换热器流动与传热性能开展了大量 的研究工作,其中实验研究占据了很大份额。 在实验研究中,各研究人员关注点多 集中于换热器自身的结构参数对其流动与传热性能的影响,而对换热器冷、热流 体的进口参数变化所带来的影响研究不多,同时实验研究中采用的工质也多为水。 本文将在现有研究成果的基础上,考察采用低沸点有机工质的翅片管换热器的换 热性能,并重点研究管外侧烟气与管内侧工质的入口参数(包括温度和速度)变化 对翅片管换热器性能的影响。

三、数值模拟方法在翅片管式换热器研究中的应用
在翅片管换热器中,管内流体与管外流体之间的热交换过程相互藕合,因此, 翅片管换热器流体流动与换热相当复杂。 对这样复杂的流动与换热过程用实验测 定,存在周期长·设备复杂、价格昂贵以及测量准确度较差等缺点。随着计算机 技术的飞速发展,国内外学者纷纷加入了从事换热器模拟工作的队伍。

1、数值模拟方法的优势
数值模拟与实验方法相比,有以下几方面的优点: (l)模拟能力强。 计算机模拟技术既能模拟真实条件,又能模拟某些理想化的 假定,拓宽了实验研究的范围,便于分析研究各种情况下的换热器的运行特性,并 减少实验的工作量。 (2)数据完整。数值计算可以得出换热器内部的流场、温度场及压力、传热 系数等参数的分布,由此可详细分析换热器内管束结构等的布置的合理性。

(3)经济性好。数值计算的费用远低于实验研究的费用。 (4)周期短。 数值计算所用的时间远少于实验方法需要的时间,并且数值计算 还可以从各种参数的大量匹配组合中选择多种方案进行比较,选择最佳匹配参数, 这是实验研究所无法比拟的。

2、国外研究现状
Bensafi 建立了应用纯制冷剂或者混合制冷剂的平翅片管换热器详细设计 计算机模型。在建模过程中,他把整体系统离散化为一个个换热管小单元,在这 些单元上应用当地温度、压力、物性参数等来建立控制方程,这些微元控制方程 的积分就是整个系统的模型。 senolBakaya 对水平翅片组中翅片间距、翅高、翅长以及翅片与周围环境的 温差对自然对流的影响进行了系统性的理论研究。通过基于 CFD 的有限容 积法对三维的椭圆型控制方程进行数值求解。 结果发现每个变量都对换热产生了 不同的影响,只关注一个或几个参数不可能获得总传热性能的最优值 ,必须考虑 所有参数之间的交互作用。计算结果与最优值用图表和关联式的形式给出,并与 以往文献中的实验数据进行了对比。 结果表明,在高 Ra 数下吻合较好,但 Ra 数较 低时有一定的偏差。 Ricardo 对板间的流体流动进行了三维模拟 , 他借助可视化实验技术 ,揭示 了翅片间距对传热和流阻的影响。该文的数值模拟结果表明,翅片间距对流动及 传热的影响趋势不同,对于一定的约束条件,翅片间距存在强化传热的最佳值。 He 对平翅片管进行了三维的数值模拟,研究了层流的换热和流动特 性。文中分析了 5 种不同的因素:Re 数、翅片间距、管排数、横向和纵向的管 间距对翅片管换热的影响。文中还对场协同理论进行了简要的阐述,并用此理论 分析了数值研究结果,得出结论:场协同理论对于翅片管换热器的研究有很大的 帮助。 AytuncErek 用 cFD 软件采用数值模拟的方法,针对翅片的几何结构对散热器 的传热和阻力特性影响进行了研究。结果表明 ,翅片间距对压降有相当大影响 , 另外随着椭圆管长短轴比的增大,换热性能提高,同时流动阻力减小。 Mehrnet、sahin 运用 FLuENT 计算流体软件对平直翅片管换热器进行了三维 数值模拟,对翅片倾斜角度进行了优化计算,研究表明,翅片角度为 30 时为最优, 可使每片的换热量达到最大。

3、国内研究现状
西安交通大学的宋富强、 屈治国等[18]用三维适体坐标的网格生成技术对翅 片管散热器进行了低速下流动和换热的数值模拟 , 得到了流速与换热系数的关 系,

以及不同流速下翅片管流动与换热的温度场、 速度场和速度与温度梯度的夹角场, 并首次利用场协同原理进行了分析。 结果表明:当流速很低时,速度与换热系数几 乎成线性变化,场的协同性很好,随着速度的增加,场的协同性变差,换热系数随 速度增加的程度减弱。 在文献[19]中,作者应用层流模型和湍流模型的数值模拟方法,对空气外掠 8 排波纹管束时的流动与传热性能进行了研究,并将数值结果与实验结果进行了 对比,结果表明,层流模型数值模拟结果较湍流更接近于实验值 ,同时,文献依据 两种模型的数值模拟结果拟合出了 Nu 一 Re 的关联式。 在文献[20]中,作者对空气横掠错列翅片管束流动与传热进行数值模拟研 究,得到了湍流条件下的 Nu 准则数和 Eu 准则数与 Re 准则数之间的关系式,并得 出 Nu 数随入口流速的增加而增加,Eu 数随入口流速的增加而下降的结论。 简弃非等[21]用 FLuENT 软件模拟了发生在双排、叉排波纹翅片表面的空 气流动和传热过程,在合理简化物理模型的基础上,采用标准 k 一:模型和速度压力祸合的 SIMPLE 算法,获得了有代表性的翅片表面温度分布、 换热系数等值线 图以及表面气流速度矢量图和相关计算数据。 文中还分析了翅片入口风速对翅片 表面的温度、气流流动、换热系数、换热量及气流阻力的影响。结果表明:增大 入口风速有利于提高翅片的换热性能 ,但同时又会增加系统能耗 ,因此入口风速 的确定必须考虑系统性能的优化。 许伟、 阂敬春[22]通过对 3 种不同尺寸的波纹翅片进行数值模拟来得到翅片 的换热和流动特性。结果显示,开缝有利于消除横向涡,并使流体混合更加充分。 同时,在开缝翅片拐角处,局部换热系数变化剧烈。 杨立军、周健等[23]研究了扁平管外蛇形翅片空间的流动换热情况,针对不 同空冷凝汽器管束夹角、 不同空气温度以及不同空气入口流速,.分别对空气侧流 场和温度场进行了数值模拟,得到了空冷器外流场和温度场,以及对流换热 Nu 和 摩擦系数 f 随 Re 数和空冷器夹角的变化规律。 数值模拟结果表明,不同的空冷器 管束夹角显著影响其流动和换热特性,夹角越大,凝汽器空冷效果越好。 在文献[24]中,研究人员针对电厂直接空冷系统中所采用的不同形式的翅片 管换热器进行了数值模拟,模拟出了包括单排、双排和三排管束的换热和阻力特 性。结果表明,对于各种形式的翅片管换热器,随着迎面风速的增加,空气侧对流 换热系数及流动阻力均有所增加。 在文献[25]中,作者对直接空冷凝汽器蛇形翅片单排管外侧空气流动与传' 热特性进行了研究,利用 FLUENT 软件对翅片空气侧流动和传热性能进行数值模 拟,对不同迎面风速下单排管蛇形翅片外空气侧的流动与传热特性进行数值模拟, 得到翅片表面温度分布图、 翅片间流场分布图和压力分布图。 基于数值模拟结果,

通过作图给出空气侧对流传热系数以及压降随风速变化的曲线,并对模拟数据进 行拟合,得到一定条件下对流传热系数和压降随风速变化的实验关联式。

四、总结
由上可知,随着计算机技术的发展 ,基于计算流体动力学理论的数值仿真技 术己成为广大科研工作者主要研究手段之一。 在针对翅片管式换热器研究的过程 中,研究人员多采用基于有限体积思想的 FLUENT 计算软件。同时,在研究换热器 管束的整体性能时,常根据对称性将换热器简化为小的换热单元 ,且不考虑管内 工质流动对换热器的影响 ,多将管内壁设置为恒壁温条件,这与换热器实际工作 情况有一定差别。故本文在建立计算模型、进行数值模拟研究时,同时考虑管内 外的换热情况,将管内工质对流换热与管外烟气对流换热进行藕合计算 ,以减少 与实际换热情况的差别。

参考文献
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