连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性研究及预测_吴峰
板壳式换热器流动与传热的数值模拟
板壳式换热器流动与传热的数值模拟徐辉;苏文献【摘要】基于计算流体力学方法对板壳式换热器内部流场进行模拟,建立了板壳式换热器流动及换热计算的模型,模拟了换热器内部流动和换热情况,分析了流道内温度场和压力场及流线的分布情况,对流体的流动和传热进行了详细的描述,分析了换热器内流体流动和传热特性,对实际工程具有一定的指导意义.【期刊名称】《能源工程》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P71-74,79)【关键词】板壳式换热器;流动;传热;数值模拟【作者】徐辉;苏文献【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TK1240 引言随着我国工业化进程的加快，节能减排越来越重要。
换热器作为工业生产中的重要设备，提高换热器换热效率、减少能耗已迫在眉睫。
近年来，一种耐高温耐高压、换热效率高的板壳式换热器应运而生。
对其展开深入的研究，提高其换热效率，减少能源消耗，具有重要的意义。
国外如ILAS、BOJKO等[1-3]对换热器流动状态与传热性能进行了详细的研究，国内如潘胜、文键、李青等[4-6]对壳侧流场的数值模拟也展开了深入的分析研究。
本文中以板壳式换热器为研究对象，利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法数值模拟了换热器内部的压力场和温度场，对流体流动与换热进行了详细的分析。
1 数值模型计算1.1 换热器整体模型利用数值模拟软件FLUENT对板壳式换热器进行模型建立。
表1所列为板壳式换热器的结构尺寸，图1为板壳式换热器模型，图2为换热器管程壳程流体流动示意，换热器的板程由相邻的波纹板交叉组成。
板程流体流动如图2中黑色箭头所示；换热器的壳程由两个板束之间焊接而成，壳程流体的流动如图2中红色箭头所示。
通过采用多流程的形式，实现两侧逆流流动传热，提高换热器的换热效率。
管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟
毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。
2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。
其总流阻损失应在满足规定要求。
2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。
3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。
3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。
3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。
螺旋折流板与弓形折流板换热器性能的数值模拟
螺旋折流板与弓形折流板换热器性能的数值模拟
李斌;孙晓明;张伟;亓航;张亚东
【期刊名称】《广东化工》
【年(卷),期】2018(045)018
【摘要】针对弓形折流板、连续螺旋折流板换热器,采用FLUENT软件,k-ε湍流模型,通过数值模拟的方法比较了4块挡板的弓形折流板换热器和4个螺旋的螺旋折流板换热器的壳程流动与换热性能.结果表明:弓形折流板换热器流动湍动程度强,换热系数更大;螺旋折流板换热器壳程流动呈螺旋状,流动阻力更小;比较单位压降换热系数,螺旋折流板换热器综合性能优于弓形折流板换热器.
【总页数】3页(P5-7)
【作者】李斌;孙晓明;张伟;亓航;张亚东
【作者单位】中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266580
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.螺旋折流板换热器的数值模拟及螺旋角对其性能的影响 [J], 王艳云;刘红禹;张立新;冯峰;刘佳宁
2.螺旋折流板与弓形折流板换热器的性能比较 [J], 蔡志刚;张国福;宋天民
3.螺旋折流板换热器阻力及换热性能数值模拟 [J], 李斌;孙晓明;张伟;亓航;张亚东
4.不同折流板结构螺旋折流板换热器传热性能的比较(英文) [J], 董聪;陈亚平;吴嘉峰
5.1/4椭圆螺旋折流板换热器性能的数值模拟 [J], 王晨;桑芝富
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内螺纹管内流动传热特性研究进展
１ 文 献 综 述
近２ Ｏ年 来 ， 热 强 化 技术 有 突飞 猛 进 的发 展 ， 传
突 出在采 用热 管 、 展 表 面 以及 各 种 破 坏 流 动边 界 扩 层 和热边 界层 的 干扰 器 （ 如二 维 、 维低 肋 表 面 、 三 螺 纹管 、 刘 子 ） 绕 等强 化 手 段 ． 自美 国 Ｈ ｗ ｏ ａ ｓｎ等 １ ９ ９６ 年发 表第 ｌ 关 于螺 纹 管 的研 究报 告 以来 ， 纹 管 篇 螺
经 济 的大发 展和 科学 技术 的发 展 ， 界 能源危 机 、 世 大 量 使用 化 石能源 和工 业 中使用 的大 量 的制冷 剂都 对 大 自然 环境 造成 破 坏 ， 使 人类 对 节能 和 环 保 问题 迫 给予越 来越 多 的关 注 ， 国的研 究者 都 致 力 于 寻 找 各
规 律 、 热 恶化 及 预 报 等 。 传
关 键 词 ： 螺纹 管 ； 热 ； 能 内 传 节
节 能 和环保 是 当今 世 界 的 ２大 热 点 ， 随着 工业
运 行锅 炉 的水冷 壁 的传 热 和水 动 力状 况都 关 系 电厂 的安全 运行 ． 国内外 科 研 工作 者 对 内螺 纹 管 内传 热 和 流动 特性 开展 了较 为广 泛 的实 验研 究 ， 与光 管 但 比较 ， 研 究 还 不 够 深 入 。 者 力 图 总 结 归 纳 近 其 笔 ３ Ｏ年来 内螺纹 管 内传 热 和流 动 的研 究 成果．
数对 单 管 的 影 响 ； ｌ ｎ ［ 、 兴 华 ］ 谷 波 Ｃｅ ｄ Ａ Ｃ ２ 黄 ａ 、
高参 数大 型锅 炉 的水 冷 壁 和 各 种换 热 器 ， 内螺 纹 管
都有 重要 的应 用 。 应 用和研 究角 度 ， 从 换热 设备 的换 热和 流动 规律 及特 性都 至关 重要 ， 比如 ， 临界 滑压 超
预测多股流板翅式换热器动态特性的网络法
２ （ ９ ； ２ 德 国汉 堡 国防军 大学 ） ０Ｘ ３ ） ． （ ． 海 理工 大学 热 工 程研 究所 ， Ｉ上 上海
摘 要 ：提 出 了一种 基 于两 股 流换 热 器 网络 动 态 特 性 预测 多 股 流 换 热 器 动态 性 能 的 网 络法 。经 与 实 验 对 比 ， 明 这 是 一 种 简 表
１ 前 言
多股 流板 翅式 换 热器 替代 两股 流换 热器 网络 ，
２ 多股 流 板 翅 式 换 热 器 动 态 特 性 的 网 络 法 构 造
多股 流板 翅式换热 器都可分解 为简单 的两 股流 换 热 器 网络 ， 即转 化 为 与 之 等 效 的 两 股 流 换 热 器 网 络。而每一 台两 股流 换 热器 都可 以用 文献 ［ ］ 供 １提 的传递 函数通用 表达式来 描述该换 热器输入输 出性 能 ［ 中 的 参 数 对 各 种 情 况 具 有 不 同定 义 式 （） 。 其 １ ］
维普资讯
《 工业加热》 ０２ 第 ５期 ２０ 年
文章 编 号 ：０ ２１３ （０ ２ ０ ．０ １ ４ １０ ．６９ ２ ０ ）５０ ２ ． ０
预 测 萋 股 流 板 罗 行２蔡 祖 恢 ， ， ，
便、 正确 描 述多 股 流换 热 器动 态 性 能的方 法 。
关 键 词 ： 股 流换 热 器 ； 态 特性 ；网络 法 多 动 中图分 类 号 ：Ｋ ２ Ｔ Ｉ４ 文 献标 识 码 ： Ａ
Ａ ｔ ｒ ｅｈ ｄ ｅ ｃｉ ｇ ｔ ｅ Ｄｙ ａ ｃ Ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｓ ｏ Ｎｅ ｗｏ ｋ Ｍ ｔ ｏ Ｐｒ ｄｉｔ ｈ ｎ ｍｉ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｆ ｎ ｃ
换热器计算思考题及参考答案
换热器思考题1. 什么叫顺流？什么叫逆流（P3）？2.热交换器设计计算的主要内容有那些（P6）？换热器设计计算包括以下四个方面的内容：热负荷计算、结构计算、流动阻力计算、强度计算。
热负荷计算：根据具体条件，如换热器类型、流体出口温度、流体压力降、流体物性、流体相变情况，计算出传热系数及所需换热面积结构计算：根据换热器传热面积，计算热交换器主要部件的尺寸，如对管壳式换热器，确定其直径、长度、传热管的根数、壳体直径，隔板数及位置等。
流动阻力计算：确定流体压降是否在限定的范围内，如果超出允许的数值，必须更改换热器的某些尺寸或流体流速，目的为选择泵或风机提供依据。
强度计算：确定换热器各部件，尤其是受压部件(如壳体)的压力大小，检查其强度是否在允许的范围内。
对高温高压换热器更应重视。
尽量采用标准件和标准材料。
3. 传热基本公式中各量的物理意义是什么（P7）？4. 流体在热交换器内流动，以平行流为例分析其温度变化特征（P9）？5. 热交换器中流体在有横向混合、无横向混合、一次错流时的简化表示（P20）？一次交叉流，两种流体各自不混合一次交叉流，一种流体混合、另一种流体不混合一次交叉流，两种流体均不混合6. 在换热器热计算中, 平均温差法和传热单元法各有什么特点（P25、26）?什么是温度交叉，它有什么危害，如何避免（P38、76）？7．管壳式换热器的主要部件分类与代号（P42）？8．管壳式换热器中的折流板的作用是什么，折流板的间距过大或过小有什么不利之处（P49～50）？换热器安装折流挡板是为了提高壳程对流传热系数，为了获得良好的效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当。
对常用的圆缺形挡板，弓形切口过大或过小，都会产生流动“死区”，均不利于传热。
一般弓形缺口高度与壳体内径之比为0.15～0.45，常采用0.20和0.25两种。
挡板的间距过大，就不能保证流体垂直流过管束，使流速减小，管外对流传热系数下降；间距过小不便于检修，流动阻力也大。
螺旋扭曲扁管换热器的研究进展与工业应用
刘庆 ，朱冬生
1 1,2
，杨蕾
1
（1 华南理工大学化学与化工学院 传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东 广州 510640； 2 华东理工大学机械与动力学院，上海 200237） 摘要：根据对流传热的场协同理论和螺旋扭曲扁管换热器的特殊结构，深入分析了螺旋扭曲扁管换热器的 综合性能。回顾了螺旋扭曲扁管换热器在国内外研究进展情况，并对影响其综合性能的各影响因素进行了 讨论，同时介绍了螺旋扭曲扁管换热器国内外工业应用实例。最后，对螺旋扭曲扁管换热器的进一步研究 进行了展望。 关键词：螺旋扭曲扁管；换热器；影响因素；工业应用
1/ 3
， 0 / p0 作为分别评价管程、壳程综合性
能的准则， 得出了适宜使用螺旋扭曲扁管换热器的 Re 范围： 管程 Re<5000， 壳程 Re<8000； 另外，实验还考察了导程 St 对传热和阻力的影响，并且给出了传热准则公式。梁龙虎[33]比 较了螺旋扭曲扁管换热器和光管换热器的管程综合性能， 以及螺旋扭曲扁管换热器和折流杆 换热器壳程综合性能，得出螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程都有更好的传热与流阻综合性 能，同时还考察了管径对传热与流阻的影响。顾红芳、陈听宽[34]以含不凝性气体的煤油为 管外冷凝的气体，冷水为管内工作介质，与光管进行了比较，认为螺旋扭曲扁管作为冷凝设 备有广泛的应用前景；另外，试验还研究了不凝性气体含量、管子的排列方式、母管管径以 及导程对传热的影响。黄德斌、邓先和[35]等比较了四种结构不同的螺旋扭曲扁管换热器以 及两种直椭圆管换热器， 得出结论： 螺旋扭曲扁管换热器适宜使用于高 Pr 与较低 Re 的场合； 同时， 文献中还根据试验结果拟合了反映传热与流阻性能的准则公式， 但是这些准则公式只 适用于特定结构的螺旋扭曲扁管换热器，因此没有普遍应用价值。张杏祥[36]等则较全面地
螺旋折流板热交换器热固耦合传热数值模拟
设计计算
文 章 编 号 ：１０００７４６６（２０１８）０６００３１０６
螺旋折流板热交换器热固耦合传热数值模拟
刘 峰 ，虞 斌
（南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 ２１１８００）
摘要：借助 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 三 维 软 件 建 立 四 分 扇 形 螺 旋 折 流 板 热 交 换 器 模 型，然 后 导 入 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，采用耦合传热的方法，对其进行 流 动 和 传 热 的 数 值 模 拟，分 析 了 １０°、１５°和 ２０°不 同 螺 旋 角 度 热 交 换 器 在 不 同 壳 程 流 速 下 的 换 热 性 能 ，得 到 了 壳 程 与 管 程 的 流 场 分 布 、压 降 以 及 温 度 变 化 情 况 。 数 值 模 拟 结 果 表 明 ，四 分 扇 形 螺 旋 折 流 板 热 交 换 器 的 壳 程 流 体 成 近 似 螺 旋 状 流 动 ，流 场 分 布 较为均匀，基本上不存在流动死 区；螺 旋 折 流 板 热 交 换 器 壳 程 内 的 压 降 随 着 螺 旋 角 度 的 增 大 而 减 小，随着壳程进口流速的增大而增大；其换热能力随着 螺旋 角 度 的 增 大 而 减 小，随 着 壳 程 进 口 流 速 的增大而增大。 关 键 词 ： 螺 旋 折 流 板 热 交 换 器 ；四 分 扇 形 ；耦 合 传 热 ；有 限 元 ；数 值 模 拟 中 图 分 类 号 ：ＴＱ０５１．５；ＴＥ９６５ 文献标志码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００７４６６．２０１８．０６．００６
犖狌犿犲狉犻犮犪犾犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犎犲犾犻犮犪犾犅犪犳犳犾犲狊犎犲犪狋犈狓犮犺犪狀犵犲狉 犜犺犲狉犿狅狊犲狋狋犻狀犵犆狅狌狆犾犲犱犎犲犪狋犜狉犪狀狊犳犲狉
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收稿日期:2006-06-05; 修订日期:2006-08-25基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(51482100204JW0801);国家教育部“新世纪优秀人才支持计划”基金资助项目(NCET-04-0938)作者简介:吴 峰(1978-),男,江西广丰人,西安交通大学博士研究生.
文章编号:1001-2060(2007)02-0190-07连续螺旋折流板管壳式换热器
动态特性研究及预测吴 峰,王秋旺,陈秋炀,谢公南(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049)
摘 要:建立了可进行壳管式换热器动态特性试验研究系统,通过试验研究的方法对水-油为换热工质的连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性进行了试验研究,进口流量扰动为等百分比流量特性,研究了4种流量扰动方式下水和油出口温度的动态响应。同时研究了在一定Re数下,不同的流体扰动量对换热器进出口温升的影响,得到了换热器进出口温升与流体扰动量之间的关联式。实验表明,液液换热系统温度的动态响应时间比较长,研究发现在正负的流量扰动下,换热器进出口温度变化呈现线性变化,进出口温升在正负流量扰动下其变化曲线具有对称特征。分别建立了有限差分数值预测模型及人工神经网络模型对换热器油侧的出口温度进行了动态预测,预测结果与试验值符合良好,人工神经网络的预测结果要好于数值模拟预测,其偏差绝对值在1.3%以内,表明人工神经网络在进行复杂的系统辨识时具有一定的参考及应用价值。
关键词:壳管式换热器;连续螺旋折流板;动态特性;数值预测;人工神经网络;动态预测中图分类号:TK172 文献标识码:A
引 言在管壳式换热器中,螺旋折流板换热器由于其能够改善壳侧流动换热性能,在相同的压降下较弓形折流板换热器而言其壳侧换热系数较高而得到研究及应用[1～4];对于高粘度流体而言,其换热效果更加突
出[5]。目前所使用的螺旋折流板管壳式换热器的折
流板一般是由两块或四块扇形平板搭接而成,每两块扇形折流板之间一般存在三角区,存在严重的漏流问题,使得换热器壳侧的流动偏离真正的螺旋流动[6],
本文所使用的连续螺旋折流板换热器能够使得换热器壳侧的流动实现真正的螺旋流动,提高了换热效率[7]。而所有这些研究主要集中在换热器的稳态传
热特性上,换热器稳态设计过程揭示了流体在换热过
程中能量平衡关系和稳定的温度分布。但是这些都没有提供换热器动态行为方面的信息,对于一般的工业生产应用中,换热器总是与其它热力设备相互关联,这必然会影响到换热器运行过程中的一些热力参数,诸如换热工质的进口温度及流量的变化,换热器动态特性的研究对于换热器热过程的实时控制、状态计算、优化及合理利用是十分必要的。以水和油为换热工质的换热设备广泛地应用于化工、石油、冶炼及大型发电机的冷却技术中。本文通过实验研究的方法对连续螺旋折流板换热器在水油为换热工质系统中的动态特性进行了试验研究,应用人工神经网络技术进行了相应的预测,为相关换热设备的分析、设计及改进其控制系统提供依据。
图1 实验系统示意图1 试验系统所研究的系统以水油为换热工质,其中油走壳侧,为热流体;水走管侧,为冷流体。油的温升通过油箱中的电加热器通电加热完成,油箱中布置了8个电加热器,通过改变电加热器的通电个数能够实现导热油维持在不同的温度上。具体试验系统回路如图1
第22卷第2期2007年3月热能动力工程JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWERVol.22,No.2Mar.,2007所示。试验系统采用LWZ-32型涡轮流量计测量,其测量精度为±2.5%以内,量程为0～20m3/h,时间常数为0.25s。采用铜-康铜热电偶进行温度采集,其量程为0～200℃,时间常数在0.5s以内。油侧压差测量采用3501差压变送器,量程为0～62.2kPa,信号为4～20mA(DC),精度为0.25%。试验中实现小流量扰动是通过控制回路智能阀门的开度来实现的,其产品型号为HYDT-2-40系列电子一体化电动调节阀,其介质工作压力为1.6MPa,工作介质温度为0～180℃,输入信号为4～20mA,流量特性为等百分比,其具体的变化规律用下式表示:d(Q/Qmax)/d(1/L)=K(Q/Qmax)(1)其中:Q—当前流量,m3/h;L—阀门最大行程,其值为25mm;K—比例常数。阀门的最大调节时间为120s。等百分比流量其特点为在小开度时调节阀的放大系数小,调节平稳缓和,在大开度时放大系数大,调节灵敏。其相对流量随时间的变化式为:Q/Qmax=2.5621+2.86×10-4τ-5.565×10-9τ2+8.229×10-14τ3(2)2 试验结果与讨论试验通过智能控制阀门的等百分比流量变化特性进行试验工况的流量扰动。首先通过改变换热器单侧流量来研究换热器两侧出口的温度响应变化规律,具体的试验工况如下:(1)水回路流量降低扰动时换热器的动态响应;(2)水回路流量升高扰动时换热器的动态响应;(3)油回路流量降低扰动时换热器的动态响应;(4)油回路流量升高扰动时换热器的动态响应。以上4种工况流量的变化量,油回路为0.37kg/s,水回路为0.755kg/s。试验雷诺数的变化范围为Re=3.9×103～3.7×104,传热单元数范围为
NTU=9.2～14.6,油的Pr=119.9～146.38,水的Pr=14～17.6。一般而言对于换热器动态特性的研究是建立在换热器稳态基础上的,因此对于换热器的动态特性试验而言,应当在换热器达到热平衡后施加各种扰动信号,以此测量换热器各个参数的动态响应特性。换热器的热平衡偏差计算方法如下:壳侧油放出的热量(热侧):Υo=qmo×cpo×(to1-to2)(3)
管侧水吸收的热量(冷侧):Υw=qmw×cpw×(tw2-tw1)(4)
传热量:Υm=(Υo+Υw)/2(5)
热平衡偏差:ε=(Υo-Υw)/Υm(6)
试验系统能够实现实时数据采集及相应各指标参数的实时计算显示,当热平衡偏差在小于7%范围内变动时,即可认为换热器系统达到了热平衡状态,施加流量扰动并保存试验数据。 各种工况下换热器的动态响应情况如图2所示。由图2可知,对于以水-油为换热工质的换热系统有着较大的热惯性,在流量扰动下达到新的热平衡需要700s以上,且在流量扰动结束后,换热器出口温度变化有一定程度的滞后现象,最后达到新的平衡状态。此外流量扰动下水回路出口温度的稳定速度快于油出口温度,这主要是由于油的物性而决定的,一般而言,油的Pr数较液体金属及空气都高(Pr在102～103的量级),本文工质油的Pr范围在119.9～146.38。根据Pr的定义:
·191·第2期吴 峰,等:连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性研究及预测 图2 单侧流量扰动下换热器出口温度各种响应情况 Pr=v/α=cpη/λ(7)它表征热边界层与流动边界层的相对厚度。反映了流体中动量扩散与热量扩散能力的对比,Pr数越大,粘性的影响传递得越远,导热油的Pr数高于水一个数量级,因而油速度边界层的厚度要远大于热边界层,工质油的动量传递能力很弱,动量传递的能力低会进一步减弱流体的热量传递,在油的导热系数偏小于水导热系数的情况下,油的总体热量传递能力要远小于水,故油的温度响应稳定时间比水长。研究一侧流体流量不变,另一侧流体不同流体扰动量下换热器两股流体进出口温升的变化规律。保持油侧流量1.63kg/s不变,研究水侧流体在正负流体扰动量下换热器进出口温升的动态特性,定义流量增加为正扰动,流量降低为负扰动,其具体变化规律如图3所示。图3 水侧不同流量扰动量下换热器进出口温升响应情况 由图可知,水流量的正负扰动对于换热器进出口温升的影响近似表现为线性变化,且随着流量扰
动量的增加,其温升也迅速增加,流量扰动影响最大的为油出口温升,影响最小的为水进口温升,分别对两股流体进出口温升变化规律进行线性拟合,得出各温升随流量扰动量的变化关联式: Δto2=0.0702-6.38ΔGw(8)
Δtw2=0.12013-4.32441ΔGw(9)Δto1=0.03482-5.14593ΔGw(10)
Δtw1=0.15803+0.6402ΔGw(11)
图4 油侧不同流量扰动量下换热器响应情况 保持水侧流量不变,改变油侧流量扰动量,同样,流量降低扰动为负值,流量上升扰动为正值,换热器两股流体进出口温升变化曲线如图4所示。图4中各温升变化规律的曲线拟合关联式: Δto2=-0.12415+3.19271ΔGo(12)
Δtw2=0.11666+2.378ΔGo(13)Δto2=-378-9.26ΔGo(14)Δtw1=0.162+1.06ΔGo(15)
·192· 热能动力工程2007年由图4及拟合公式可知水进出口温升、油出口温升随着油流量扰动量的增加而增加,呈线性变化,而油进口温升变化趋势则相反。3 换热器动态特性的数值预测通过数值预测的方法预测连续螺旋折流板换热器的动态特性,本文试验所研究的连续螺旋折流板换热器的流程布置为两管程结构,其结构示意如图5所示。将连续螺旋折流板换热器的流动与换热等效为两个壳管式换热器的串联,即一个逆流式换热器及一个顺流式换热器的串联组合,换热器管侧流程前半部分可视为一个逆流式换热器,管侧流程后半部分视为一个顺流式换热器,这样就可以将逆流式换热器及顺流式换热器动态预测的数值计算程序结合起来,用于连续螺旋折流板换热器的两侧出口温度的动态预测。图5中t2,mid为管程流体两程之间转折时流体的平均温度。图5 1-2型连续螺旋折流板换热器示意图 壳管式换热器的静态模型为对空间的常微分方程组,而其动态模型则为对时间和空间的偏微分方程组。为简化数值计算,现作如下假设:(1)通道内流体为不可压缩流体,通道内的流动与换热视为一维问题,进出口流体温度均一。(2)流体的所有热物性均为常数,考虑壁面蓄热作用。(3)考虑壳侧流体的纵向扩散及管壁的轴向导热。(4)通道外壁与外界绝热。对于单管程单壳程壳管式换热器而言,换热器两股流体、管壁及壳壁的能量控制方程表达式分别如下:壳程流体1:C1L t1 τ+W1 t1 l-Ac1D 2t1 l2+(hA)1L(t1-t2)+(hA)sL(t1-ts)=0(16)管程流体2:(-1)iW2 t2 l+C2L t2 τ+(hA)2L(t2-tw)=0(17)
管壁:CwL tw τ-KwAcw 2tw
l2-
(hA)1L(t1-tw)-(hA)2
L×
(t2-tw)=0(18)
壳壁:CsL ts τ-(hA)s
L(t
1-ts)=0(19)
式中:W1=u1cp1ρ1Ac1,W2=u2cp2ρ2A2,C1=ρ1Ac1
Lcp1,C2=ρ2Ac2Lcp2,Cw=ρwAcwLcpw,L—换热器总