错流换热器壳体空气流动均匀性对空气换热性能影响的研究.pdf

收稿日期:作者简介:卢日时()男高级工程师 主要从事压缩空气储能、太阳能光热发电、节能利用以及电站辅机设备相关工作错流换热器壳体空气流动均匀性对空气换热性能影响的研究卢日时王 铎(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 哈尔滨)摘要:通过数值模拟研究稳态运行过程中壳体内部空气流动状态及不同壳程接管数量下壳体内空气分布情况及其影响验证了错流式换热器壳程流量分布不均对其性能却有影响较均匀的壳程流量分布具有更高的出口温度根据仿真计算得到长筒体错流换热器不同壳程接管数量下的流量分布比例壳程设置多个接管有助于提高壳内空气分布均匀性 根据流量分布比例计算壳程空气出口温度 分析结果发现随着壳程空气流量的提高壳程空气分布均匀的换热器性能越好关键词:错流换热器空气换热器流动分布流场仿真分类号:文献标识码:文章编号:()():.:前 言错流式换热器换热原理同传统管壳式换热器类似利用换热管进行换热其中空气在壳侧流动加热或冷却介质在管侧流动 错流式换热器的主要特点是 型壳体也就是错流壳体该壳体内部流动状态如图 所示图 错流壳体内部流动状态错流式换热器外形如图 所示 错流壳体最主要特点是壳侧纯错流错流壳体一般在中央装有接管流体进入壳体后被分成多股壳体内部流体直接横掠换热管后从壳体出口流出期间不进行折流故壳体中不使用横向折流板但为防止流动诱发振动往往采用支撑板支撑管束 与其它所有类型的壳体相比错流壳体的壳侧压损最低往往用于气体的加热、冷却和真空冷凝等图 错流式换热器外形图在某些项目中空气流量往往很大换热器的需求换热面积巨大换热器换热管长度可达到 甚至更长这导致壳侧气体存在分布不均匀的问题影响换热器的换热性能本文研究稳态运行过程中壳体内部空气流动状态通过数值模拟得到了不同接管下壳体内部各跨之间的流量分布比例并结合流量分布情况计算对比不同换热器壳程混合出第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.口温度的差别同时研究了壳程空气流量对这一差别的影响 流量分布对换热性能的影响为便于分析采用一个管侧单流程壳侧被单个支撑板将内部空间分为两部分(下称相邻支撑板之间区域为跨)在保证壳侧入口、管侧入口流量相同、温度相同的情况下调整两跨的壳侧流量得到各跨出口温度并计算混合后壳体出口温度 计算的换热器模型参数参见表 表 计算模型参数表内径换热管长换热面积壳程介质壳程入口温度/壳程入口流量/(/).空气壳程入口压力/()管程介质管程介质入口温度/管程入口流量/(/)管程入口压力/().水.计算采用的热力模型如图 所示图 热力模型示意图本文调整 跨区域通过的空气流量计算得到 跨区不同流量下的空气出口混合温度、跨区出口空气温度、跨区出口空气温度见表 表 各处空气温度 跨区流量/跨区流量占比/跨区出口温度/跨区出口温度/出口混合温度/.由表 中 跨区和 跨区出口温度可以看出错流换热器内部空气各跨的空气出口温度相差较大但是混合后的壳程混合空气出口温度相对稳定由图 可以看出对于一个仅有两跨的换热器各跨流量占比会对换热器壳程出口混合温度产生影响总体呈现两跨质量流量分布越平均换热器壳程出口混合温度越高但同时出口混合温度最高点出现在 跨区空气流量占比约 时这是因为 跨区更靠近管程介质入口侧而该侧更靠近管侧入口其温差更大换热效率更高图 第 跨区流量占比 混合出口温度曲线 壳体流量对长筒体错流换热器性能的影响对于内部各支撑板跨距相同的换热器其壳程内部各跨截面相同假定各跨空气密度相同根据质量流量计算公式:式中 为质量流量 为空气密度 为空气流速 为各跨截面积在密度、各跨截面积不变时各跨空气质量流量同各跨流量程线性关系本文以一台长筒体错流换热器为例通过流场仿真得到壳程不同接管数量下内部轴向的流场分布情况以及各跨截面的流速分布情况 分析模型参数见表 表 分析算例模型参数内径换热管长壳程介质壳程入口温度/壳程入口流量/(/)空气不等壳程入口压力/()管程介质管程介质入口温度/管程入口流量/(/)管程入口压力/().水不等.算例采用壳程 接管与壳程 接管两种结构进行对比流场仿真采用对称二维模型管束区域采用多孔介质近似等效管束阻力得到壳程单接管及多接管速度云图及各跨速度分布曲线分别如图 图 所示图 壳程 接管壳程速度分布云图由图 可以看出在壳体单个入口接管时从距离接管第 跨处开始流量分布才变得均匀中间和远离接管区域流量相差约 对比图 和图 各跨速度分布情况壳程多接管可以有效使壳程空气在各跨的流量均匀分布按照图、图 中各跨流速分布比例情况计算壳程空气入口流量不同情况下出口混合温度结果见表 第 期卢日时等:错流换热器壳体空气流动均匀性对空气换热性能影响的研究 图 壳程 接管中轴线各跨速度曲线图 壳程 接管壳程速度分布云图图 壳程 接管中轴线各跨速度曲线 表 不同流量下出口混合温度表壳程空气入口流量/(/)壳程单接管空气出口混合温度/壳程多接管空气出口混合温度/.由表 和图 可以看出随着壳程空气流量的不断增加壳程空气均匀分布(多接管)的换热器相比于壳程不均匀分布(单接管)有更好的换热性能 如果换热器壳程的空气流量达到/(约/)且错流式换热器壳内空气分布不均会造成 左右的热量损失图 壳程空气流量 空气出口混合温度曲线 结 论由于错流式结构壳程阻力极小适合对空气侧阻力有严格要求的换热器 本文在错流式换热器壳体内部空气分布情况对空气出口温度的影响方面进行研究得出结论如下:()错流换热器壳体内的空气在各跨之间的质量流量分布均匀程度影响壳程空气出口混合温度分布越均匀壳程出口混合温度越高换热器的性能越好()错流换热器壳程空气流量会放大壳程分布均匀与非均匀两种情况下的壳程空气的换热效率既随着空气流量的不断增大壳程空气均匀分布的错流式换热器与分布不均的错流式换热器壳程出口混合温度差越大参 考 文 献 严 政王俭曾颖群.全错流 型换热器的设计与运用.化工与医药工程():.(上接第 页)杨立军.单元长宽比对直接空冷系统运行特性的影响.工程热物理学报():.杨立军蒲 罡杜小泽杨勇平.一种空冷单元空气导流装置流动传热特性.工程热物理学报():.易文杰阴继翔郭 政李东青.“”型直接空冷凝汽器单元内部导流的数值研究.汽轮机技术():.周兰欣李海宏张淑侠.直接空冷凝汽器单元内加装消旋导流板的数值模拟.电机工程学报():.贾宝荣杨立军杜小泽杨勇平.导流装置对直接空冷单元流动传热性能的影响.电机工程学报():.阴继翔王 涛易文杰.导流板倾角对“”型直接空冷单元空气流动与换热特性的影响.热科学与技术():.水海波王晓龙张 涛等.直接空冷单元空气流场优化.热力发电():.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司.晋能保德 超超临界低热值煤发电工程空冷数模试验研究报告.北京:北京交通大学.西安热工研究院有限公司./直接空冷系统性能试验规程.陈胜利.钢制椭圆管矩形翅片空冷元件传热及阻力性能试验研究报告.西安:西安热工研究院有限公司.西安热工研究院有限公司.江苏双良冷却系统有限公司单排管直接空冷换热器传热及阻力性能试验报告.西安:西安热工研究院有限公司.王汉青.暖通空调流体流动数值计算方法与应用.北京:科学出版社:./建筑工程风洞试验方法标准.北京:中国建筑工业出版社.汽 轮 机 技 术 第 卷