張素香, 楊雪峰, 孫 鐵

(遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順 113001)

板式空冷器導(dǎo)流板式液體分布器結(jié)構(gòu)與流動規(guī)律研究

張素香, 楊雪峰, 孫 鐵

(遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順 113001)

對導(dǎo)流板式液體分布裝置的結(jié)構(gòu)提出設(shè)計方法并進行了數(shù)學(xué)描述,推導(dǎo)得出了結(jié)構(gòu)壓降公式。采用CFX對該結(jié)構(gòu)進行流場模擬,流場顯示入口流體的分布。提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和壓降公式對于板式空冷器液體分布器的設(shè)計具有一定的理論指導(dǎo)意義。

板式空冷器; 分布器; 導(dǎo)流板; 效率; 壓降

板式空冷器作為一種新型的空冷裝置,其特點主要是結(jié)合了板式換熱器與空冷式換熱器的優(yōu)點,節(jié)水效果好,傳熱效率高,流通面積大。為了使介質(zhì)均勻地進入換熱板,從而得到較高的換熱效率,在進口管箱內(nèi)設(shè)置液體分布器。本文對導(dǎo)流板式液體分布裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行了分析,主要解決3個問題,(1)保證流體經(jīng)過導(dǎo)流板后均勻分布時,各導(dǎo)流板上端與接管軸線的距離、傾角的確定方法或計算公式;(2)在保證分布均勻的情況下,通過導(dǎo)流板的阻力降計算公式,Δpf=f(a,b,α,α0,μ,ρ);(3)通過軟件給出流場的分布情況。

導(dǎo)流板式液體分布器結(jié)構(gòu)如圖1所示,導(dǎo)流板為傾斜焊接在管箱上的四塊矩形板,上端與接管平齊,下端距板束為h,四塊矩形板分別與接管軸線成一定的傾角,且對稱分布。矩形板寬度d,垂直高度H。導(dǎo)流板與接管軸線的距離、導(dǎo)流板傾角、導(dǎo)流板尺寸、導(dǎo)流板下端與板束的距離可調(diào)[1]。a,α—靠近接管軸線的一組導(dǎo)流板上端與接管軸線的距離及其與接管軸線夾角;b,α0—與接管軸線距離較遠一組導(dǎo)流板上端與接管軸線的距離及其與接管軸線夾角;μ—介質(zhì)粘度;ρ—介質(zhì)密度。

1 結(jié)構(gòu)分析

導(dǎo)流板上端距接管軸線的距離可調(diào),即流經(jīng)每塊導(dǎo)流板的流體流量是可調(diào)的。由于結(jié)構(gòu)的對稱性,只考慮半個入口截面,根據(jù)流體應(yīng)均勻分布的要求,每個導(dǎo)流板所對應(yīng)的下游出口面積應(yīng)該與流過它的流量成正比,則流體被兩塊導(dǎo)流板分割的三部分的流量,從中間到兩側(cè)應(yīng)分別為

式中,Q0-入口總流量,r=D/2-入口接管半徑。

因為流體脫離導(dǎo)流板時作拋物運動,由能量守恒方程,脫離導(dǎo)流板時流體的動能等于入口流體動能、流體沿導(dǎo)流板下流過程中勢能的減小量,以及流體流經(jīng)導(dǎo)流板的阻力(負(fù)值)之和,可以求出脫離導(dǎo)流板時液體的速度。

式中,H-導(dǎo)流板豎直方向高度,V1-導(dǎo)流板入口處流體流速,V2-流體脫離導(dǎo)流板時的流速,F-流體流過導(dǎo)流板的阻力(包括形體阻力和粘性阻力)

F的求解方法見本文第2部分(壓力降的計算方法)。求出每塊板的出口速度V2,由拋物運動有,

式中,h-導(dǎo)流板下端距換熱板束上端的距離,θ-導(dǎo)流板與豎直方向的夾角。

求出落體運動時間t,即可得到流體水平運動的距離

式中,L1,L2,L3分別表示中心到邊緣被兩塊導(dǎo)流板流體落點分開的距離,如圖1所示;V21、V22分別為流體脫離靠近和遠離接管軸線的導(dǎo)流板下端的速度;t1、t2分別為流體脫離導(dǎo)流板后,到達換熱板上端前的下降時間。

根據(jù)流體均勻分布的設(shè)計原則,導(dǎo)流板的位置、尺寸及傾角應(yīng)符合下式

2 壓力降的計算方法

在一般情況下,入口管及分布板上的流動為湍流。當(dāng)速度為v∞的粘性均勻流沿光滑平板流過時,其邊界層有如下方程

式中,vx,v∞分別為邊界層速度及來流速度,見圖2。

Fig.2 The boundary layer on guide plate圖2 導(dǎo)流板邊界層

切應(yīng)力τ應(yīng)為

用動量積分來求湍流邊界層的時均速度分布。平板情況下的邊界層動量積分為

在這里已把時均參數(shù)上方的一橫省去。因為邊界層為湍流的,在假設(shè)vx(y)的分布時可根據(jù)全經(jīng)驗的冪函數(shù)規(guī)律形式給出。即

式中,η=y/δ為無量綱縱坐標(biāo)。δ為邊界層厚度,它為x的未知函數(shù),是要求解的。n為由試驗確定的無量綱常數(shù)。給定這樣的速度分布后

另外,邊界層內(nèi)的速度vx(y)必然與流體密度ρ、粘性v、以及平板表面處的切應(yīng)力τw有關(guān)。從(1)式還知道它與yn有關(guān)。寫成函數(shù)形式即為

使用量綱分析法求解f的具體形式

式中,系數(shù)β由實驗給出。兩端量綱一致,即

根據(jù)邊界條件x=0時δ=0可得C=0,得

將δ(x)代入(1)得任一位置處的邊界層速度分布vx(y)。平板單面長度為l的一段表面上的摩擦阻力為F(單位板寬)

式中,常數(shù)n與β0由實驗測定。在Re<3×106時,

以某板式空冷器為例,管箱長1 410 mm,寬660 mm,高610 mm,a=55 mm,b=120 mm,α= 32°,α0=50°,H=300 mm,h=100 mm,流體分布較均勻。當(dāng)以95℃、流量30 t/h的水為介質(zhì)時,Δpf=216 Pa;以180℃、流量2 t/h的飽和蒸汽為介質(zhì)時,Δpf=97 Pa。從計算結(jié)果來看,與篩板式液體分布器和分布管式液體分布器相比,壓力降較小[3-5],但其結(jié)構(gòu)簡單,容易加工。

3 CFX流場模擬及分析

采用其對該結(jié)構(gòu)進行流場模擬,采用有限體積法、拼片式塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分析其均布程度,從模擬結(jié)果來看,導(dǎo)流板式液體分布器基本上能夠完成入口流體的分布[6-10],但是由于其結(jié)構(gòu)上的原因,導(dǎo)致導(dǎo)流板下沿所對位置流量較大,其余部分略小。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,且過流阻力很低,適用于要求壓降較小、且均布要求不很高的場合。

Fig.3 Axial and vertical velocity distribution圖3 沿橫向及縱向切開平面的速度分布

[1] 張素香,袁忠澤,孫鐵.板式空冷器入口管箱液體分布器結(jié)構(gòu)分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,2006,26(2):56-58.

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(Ed.:W YX,Z)

Structure and Flow of Guide Plate Distributor of Plate Air-Cooled Cooler

ZHANG Su-xiang,YANG Xue-feng,SUN Tie
(L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning 113001,P.R.China)

3 A pril 2010;revised 19 M ay 2010;accepted 1 July 2010

The structure design method of the guide p late distributor was put forward and the design method was mathematically described,then deduced the formula of p ressure reduction,flow pattern in the distributo r was simulated by CFX.The inlet fluid field show a unifo rm distribution.These have some impo rtance to fundamental thought of distributer op timum design and fo rmular reduction of p ressure on the distributo r design.

Air-cooled cooler;Distributor;Guide plate;Efficiency;Pressure reduction

.Tel.:+86-413-6865032;fax:+86-413-6863389;e-mail:zsx7878@sina.com

TF066.2

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.03.019

1006-396X(2010)03-0083-03

2010-04-03

張素香(1964-),女,山東嘉祥縣,高級實驗師。

遼寧省自然科學(xué)基金資助(20092182)。