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(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

化工生產(chǎn)過程中對反應(yīng)容器內(nèi)物料進(jìn)行冷卻或加熱是常用操作之一，蜂窩夾套作為一種新型高效傳熱夾套，以其優(yōu)異的傳熱性能和力學(xué)構(gòu)造在壓力容器中得到廣泛應(yīng)用[1]。

近年來計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，為蜂窩夾套研究和模擬計(jì)算打下了良好的基礎(chǔ)[2-3]。范琦等[4-6]基于蜂窩形式、間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，采用數(shù)值方法對蜂窩夾套的換熱性能和壓降進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明蜂窩間距對傳熱性能影響很大，蜂窩排列方式要選擇插排形式。林興華[7-8]將螺旋蜂窩夾套應(yīng)用在大型啤酒發(fā)酵罐中，傳熱系數(shù)明顯提高，發(fā)酵周期得到縮短。劉友宏等[9]建立了整體夾套結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，利用SIMPLE算法和有限單元法進(jìn)行了傳熱分析設(shè)計(jì)，分析溫度場的變化。Belytschko T B等[10]針對夾套反應(yīng)釜，研究介質(zhì)特性及不同流速對傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，為工程提供設(shè)計(jì)參考。Schmidt F等[11]使用有限元方法對反應(yīng)容器進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算其傳熱系數(shù)。Fan和Yin[12]的研究結(jié)果表明，蜂窩高度是影響折流板式蜂窩夾套壓降及傳熱的主要因素。Filip Logist等[13]分析夾套管式反應(yīng)器溫度變化，得到了最優(yōu)溫度分布情況。

文中采用FLUENT 17.0軟件對三角形及正方形排列的短管蜂窩夾套和整體夾套內(nèi)流場進(jìn)行模擬分析，比較整體夾套與蜂窩夾套傳熱性能，并探究短管間距s和短管長徑比l/d對三角形排列形式的短管蜂窩夾套傳熱性能的影響。

1 計(jì)算模型與方法

1.1 模型簡化處理

短管蜂窩夾套設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中內(nèi)筒體尺寸為DN750 mm×40 mm，材料為S31603；夾套尺寸為DN950 mm×8 mm，材料為Q345R；短管尺寸為?30 mm×2 mm，材料為20鋼。夾套介質(zhì)為冷卻水，內(nèi)筒體介質(zhì)為水蒸氣。

圖1中蜂窩夾套上短管按照三角形排列時(shí)，采用Solidworks軟件建立夾套簡化結(jié)構(gòu)的1/2模型，見圖2。

1.2 設(shè)置邊界條件

進(jìn)口邊界設(shè)置為冷卻水流速進(jìn)口，速度大小依次設(shè)置為0.5 m/s、0.9 m/s、1.3 m/s、1.7 m/s、2.1 m/s，溫度為21.5 ℃。出口設(shè)置為自由出口。夾套內(nèi)壁設(shè)置蒸汽對流加熱面，對流傳熱系數(shù)αi=10 500 W/(m2·℃)，溫度為160 ℃。夾套外壁面溫度為25 ℃。

圖1 短管蜂窩夾套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)1/2簡化模型

1.3 模型網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD 17.0，采用六面體核心法劃分網(wǎng)格，并對短管和夾套區(qū)域網(wǎng)格加密，以增加計(jì)算精度[14]。定義1.5、2.0、2.5、3.0共4種網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算分析并提取出口溫度，得到不同網(wǎng)格尺寸下水出口模擬溫度變化趨勢，見圖3。

綜合考慮計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性和計(jì)算效率等因素后，選取網(wǎng)格尺寸大小為2.0時(shí)比較合適。短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型見圖4。

1.4 模擬有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算方法及模型的可靠性，針對三角形排列形式的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到的蜂窩夾套模擬數(shù)據(jù)見表1。

圖3 不同網(wǎng)格尺寸下水出口模擬溫度變化趨勢

圖4 短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

組序流體體積流量/(m3·h-1)冷卻水進(jìn)口溫度/℃水出口模擬溫度/℃水蒸氣進(jìn)口溫度/℃蒸汽飽和溫度/℃第1組5.321.537.48160155.2第2組4.321.540.54160155.2第3組3.321.545.14160155.2第4組2.321.553.78160155.2第5組1.321.572.36160155.2

根據(jù)流體特性和工作條件參數(shù)，選用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型模擬夾套內(nèi)流場變化，壓力速度耦合方法選用SIMPLE算法，并將流體控制方程離散格式都設(shè)置為二階迎風(fēng)差分格式[15]，殘差精度設(shè)定為10-6。將模擬數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)[16]繪制成雷諾數(shù)Re-努塞爾數(shù)Nu對數(shù)曲線(圖5)，用試驗(yàn)值對比分析模擬值的有效性。

圖5 雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)的對數(shù)曲線變化關(guān)系

圖5表明，模擬值和試驗(yàn)值的變化趨勢基本一致且模擬值比試驗(yàn)值小。分析認(rèn)為，這是數(shù)值模擬中模型為理想設(shè)計(jì)尺寸，而蜂窩夾套試驗(yàn)中設(shè)置的螺旋導(dǎo)流條對流道結(jié)構(gòu)有優(yōu)化作用，使流動死角得到充分消除所致。根據(jù)圖5計(jì)算，模擬值與試驗(yàn)值的誤差小于±20%，證明了邊界條件設(shè)置及模擬方法的可靠性。

2 夾套流場計(jì)算與分析

以表1第5組數(shù)據(jù)為例，探討不同夾套結(jié)構(gòu)對傳熱效果的影響。

2.1 夾套3D流線分布

為直觀簡潔觀察流體介質(zhì)在短管蜂窩夾套(分為短管三角形排列和正方形排列2種)及整體夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動的宏觀分布情況，選取完整模型分析流體介質(zhì)流向走勢，得到的夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)部3D流線分布見圖6。

圖6 不同形式夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)部3D流線分布圖

由圖6可知，對圖6a和圖6b的蜂窩夾套，由于交錯分布的短管的存在，流體在流經(jīng)夾套時(shí)與短管相互碰撞，流動的速度及方向都發(fā)生了較大改變，但流體在夾套內(nèi)部流動沒有顯著規(guī)律，三角形排列形式的短管夾套結(jié)構(gòu)流動變化比正方形排列形式的夾套結(jié)構(gòu)的更復(fù)雜。對圖6c的整體夾套結(jié)構(gòu)，由于不存在短管，流體可暢通地流動且流動方向比較單一，流動速度波動較小。

2.2 夾套速度流場分布

針對不同結(jié)構(gòu)形式模型，分別模擬完整模型速度流場分布及z=0.2 m、z=0.5 m、z=0.8 m、x=0.43 m截面處的局部速度分布，見圖7～圖9。

圖7 三角形排列的短管蜂窩夾套速度分布云圖

圖8 正方形排列的短管蜂窩夾套速度分布云圖

圖9 整體夾套速度分布云圖

由圖7a、圖8a和圖9a這3種結(jié)構(gòu)夾套的整體速度分布云圖可知,入口及出口邊緣區(qū)域的速度均有明顯波動。分析認(rèn)為，由于短管的存在，流體與短管間不停碰撞形成了漩渦，使靠近壁面的流體在層流區(qū)域不斷縮小，阻礙流體流動，進(jìn)而使流體在夾套側(cè)的速度降低，流體在夾套內(nèi)的流動非常緩慢，并且三角形及正方形排列的短管蜂窩夾套內(nèi)流體流動速度比整體夾套的小。

由圖7b和圖8b可知，在夾套的內(nèi)壁、外壁以及短管邊緣區(qū)域有著明顯速度均勻特征，當(dāng)流體介質(zhì)通過流通區(qū)域時(shí)，流體與短管不斷碰撞，迫使流體改變流動方向，而流體介質(zhì)流速也不斷減小，這樣可以使流體與筒體壁面以及夾套壁面充分接觸，進(jìn)行冷、熱流體的熱量交換，提高傳熱效果。圖9中，只有在夾套底端才有明顯的速度變化特征，流體來不及和筒體外壁面及夾套壁面充分接觸就已經(jīng)停止流動，沒有顯著的傳熱效果。分析認(rèn)為，三角形排列的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)中的短管排列比正方形排列結(jié)構(gòu)中

的短管排列更密集，流通空間更小，可加強(qiáng)擾流，能夠有效提高傳熱效果，所以三角形排列的短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)傳熱效果更好。

2.3 夾套溫度場分布

針對不同結(jié)構(gòu)形式夾套模型，分別模擬整個(gè)夾套模型溫度場分布及z=0.2 m、z=0.5 m、z=0.8 m、x=0.43 m截面處的局部溫度分布，結(jié)果見圖10～圖12。

圖10 三角形排列的短管蜂窩夾套溫度分布云圖

圖11 正方形排列的短管蜂窩夾套溫度分布云圖

圖12 整體夾套結(jié)構(gòu)溫度分布云圖

由圖10a和圖11a可知，在短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)中，短管的存在使流體和夾套充分接觸，整體溫度分布比較均勻，在遠(yuǎn)離進(jìn)口處邊界出現(xiàn)極少量的高溫區(qū)域。由圖12a可知，由于流體介質(zhì)沒有與整體夾套進(jìn)行良好換熱，溫度分布特征不均勻。由圖10b、圖11b和圖12b可知，由于蜂窩夾套短管的存在，在截面處溫度分布也是均勻的，而整體夾套中溫度分布不均勻， 尤其是在結(jié)構(gòu)底部區(qū)域還出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象。

3 短管結(jié)構(gòu)參數(shù)對三角形排列短管蜂窩夾套傳熱性能影響

3.1 短管長徑比對傳熱性能的影響

3.1.1蜂窩夾套速度流場

短管長徑比l/d分別為1.5、2.0、2.5以及3.0時(shí)的短管蜂窩夾套速度流場分布云圖見圖13。

圖13 不同短管長徑比工況下三角形排列短管蜂窩夾套速度流場分布云圖

由圖13可知，隨著短管長徑比的不斷增大，三角形排列形式的短管蜂窩夾套內(nèi)流體介質(zhì)在流過短管后,短管產(chǎn)生的擾流效果好。分析認(rèn)為，當(dāng)流體流經(jīng)夾套時(shí)，短管的交錯分布使流體與短管間相互不斷發(fā)生碰撞，并迫使流體改變流動方向，增加其擾流效果，是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

3.1.2蜂窩夾套溫度場

短管長徑比l/d分別為1.5、2.0、2.5以及3.0時(shí)的短管蜂窩夾套溫度場分布云圖見圖14。

由圖14可知，短管長徑比不斷增大時(shí)，流動死區(qū)不斷減少，夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度區(qū)域均勻化分布，夾套內(nèi)傳熱效果不斷提高。分析認(rèn)為，當(dāng)流體流經(jīng)夾套時(shí)，交錯分布的短管使流體流動空間變小，對流體擾流效果增加，整體溫度分布比較均勻，是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

3.2 短管間距對傳熱性能的影響

3.2.1蜂窩夾套速度流場

短管間距s分別為60 mm、80 mm、100 mm及120 mm時(shí)短管蜂窩夾套內(nèi)的速度流場分布云圖見圖15。

由圖15可知，短管間距越小，三角形排列形式的短管蜂窩夾套內(nèi)流體介質(zhì)在流過短管后，流體在夾套內(nèi)的流動越發(fā)緩慢，擾流效果強(qiáng)。分析認(rèn)為，蜂窩分布越密，流體與短管的接觸區(qū)域越大，擾流效果越好，是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

3.2.2蜂窩夾套溫度場

對不同短管間距s為60 mm、80 mm、100 mm及120 mm多組模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱性能分析，得出不同工況的溫度分布云圖，見圖16。

圖15 不同短管間距工況下三角形排列短管蜂窩夾套速度流場分布云圖

圖16 不同短管間距工況下三角形排列短管蜂窩夾套溫度分布云圖

由圖16可知，短管間距減小時(shí)，夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度趨于均勻化分布，流體流動的死角區(qū)域減少，擾流效果好，傳熱效果好。分析認(rèn)為，短管排列越密，流體和夾套充分接觸，流通空間狹小，流體與筒體外壁面及夾套壁面充分接觸，極大地加強(qiáng)擾流效果，傳熱效果更顯著，是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

4 結(jié)語

采用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型對短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)及整體夾套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了夾套結(jié)構(gòu)模型的速度分布、溫度分布以及3D流線圖宏觀分布。模擬結(jié)果表明，三角形排列形式的短管蜂窩夾套傳熱效果比正方形排列形式的短管蜂窩夾套的好，且短管蜂窩夾套結(jié)構(gòu)傳熱效果比整體結(jié)構(gòu)傳熱效果好。分析短管不同短管間距s、不同短管長徑比l/d對三角形排列形式的短管蜂窩夾套傳熱性能的影響，模擬結(jié)果表明，隨短管間距不斷減小，擾流效果較好且流動死角區(qū)域減少，整體溫度分布趨于均勻化。因此在工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中，可通過適當(dāng)減小短管間距來提高傳熱效果，在相同直徑尺寸結(jié)構(gòu)下，可增加短管長度來提高傳熱效果。