李士騰，王洪利，張燕，朱治敏，張超

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210)

引言

隨著國家對節(jié)能減排重視程度的提高，能源有效化利用逐漸成為人們研究的熱點[1,2]，換熱器已廣泛應用于發(fā)電廠、建筑供暖、家用冰箱、石油、核能等各個領域[3]。流體換熱選取原則，通常會以逆流換熱為主，教材上也指出逆流換熱效果優(yōu)于順流方式，但詳細分析原因并不多見。近年來，國外集中對在逆流換熱方式前提下的換熱器換熱強化進行了研究：Do Huu-Quan[4]等對簡單套管式換熱器逆流換熱進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)當Re<7 000時，內扁管性能優(yōu)于內圓管；當Re<7 000時，內圓管換熱性能則要優(yōu)于內扁管。Sivalakshmi[5]等人研究了翅片對套管換熱器換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)與光滑套管換熱器相比，加翅片之后換熱效果增強了35%；與內螺旋套管相比，增強了38.46%。國內對于順逆流的換熱大多停留在實驗研究上：孫昊[6,7]以板式換熱器為研究對象，研究了順、逆流2種流向下的熱通量、換熱溫差、換熱效率，發(fā)現(xiàn)逆流換熱總是優(yōu)于順流換熱。敖江麗[8]等以實際工程為例，以所需換熱面積為評判標準，對順、逆流2種工況分別計算，發(fā)現(xiàn)逆流時所需面積要小于順流。申江[9]等以蒸發(fā)式冷凝器為例實驗研究了不同工況下的順、逆流傳熱、傳質情況，發(fā)現(xiàn)在同等條件下逆流傳熱、傳質系數(shù)都要高于順流。

基于逆流和順流換熱形式和特點，該項研究利用Fluent軟件對不同工況下的不同流體流向進行模擬分析，旨在對2種換熱方式進行深入探討。

1 換熱器熱力學分析

1.1 換熱關系式

以無相變的套管式換熱器為例，傳熱過程包括流體與管壁之間的對流換熱以及管壁上的導熱過程。換熱器有2個基本關系式：傳熱基本方程式和熱平衡方程式。

傳熱基本方程式的一般表示形式為：

(1)

其中，Q為傳熱量，W；k為換熱器傳熱面某一單元的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；dA為某一單元傳熱面積；Δt為傳熱面上某一單元傳熱流體溫差，K。

工程計算時將上式簡化可得：

Q=KAΔtm

(2)

K為傳熱面的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱壁面面積，m2；Δtm為間壁兩側傳熱流體平均溫差(亦稱對數(shù)平均溫差)，K。

平均溫差計算公式為：

(3)

上式對于順流、逆流2種工況都適用。

假設外壁面為絕熱壁面，則根據(jù)能量守恒定律，熱平衡方程式可以表示為：

(4)

其中，下角標1、2分別代表熱流體與冷流體，'、''分別代表進口狀態(tài)與出口狀態(tài)。M為流體質量流量，kg/s；h為流體的焓值，J/kg。

1.2 換熱原理

順流換熱就是指冷熱流體流向一致的換熱方式。在換熱過程中冷流體溫度沿程不斷升高，熱流體溫度沿程不斷下降，其換熱原理如圖1所示。

圖1 順流換熱原理

逆流換熱就是冷熱流體流向相反的換熱方式。在換熱過程中，為得到更好的換熱效果，所需流體通常下進上出，而另一流體流向剛好與之相反，冷流體溫度沿程不斷升高，熱流體溫度沿程不斷下降，其換熱原理如圖2所示。

圖2 逆流換熱原理

2 物理模型

2.1 模型建立與簡化

將套管式換熱器進行建模，模型如圖3所示?？紤]到計算機的性能，對原模型進行合理的簡化：

(1)只考慮縱向傳熱及擾動效果；

(2)忽略進出口效應帶來的熱擾動。

最終模型為內管直徑36 mm,外管直徑80 mm，內外管壁厚2 mm，管子總長6 200 mm的二維圖形。簡化后的模型如圖4所示。

圖3 換熱器幾何模型圖 圖4 換熱器簡化模型

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

簡化后的模型形狀不規(guī)則，采用三角形殼網(wǎng)格對其進行劃分。為降低服務器計算負荷，減少網(wǎng)格數(shù)，壁面厚度利用Fluent中的Wall Thickness進行設定，其中內外管壁都設定為2 mm，且內管為導熱性能好的紫銅，外管為抗腐蝕性能好的不銹鋼。最終劃分網(wǎng)格總數(shù)為514 849個，保證大部分網(wǎng)格質量都達到0.6，長寬比趨于1，最小角大于45°，最終劃分結果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖

管內模擬材料都采用液態(tài)水，內管為高溫流體，外管為低溫流體。邊界條件設置如下表1所示。

表1 模擬邊界類型及設置

2.3 網(wǎng)格無關性驗證

取內管入口速度為0.02 m/s，外管速度為0.03 m/s時的一個逆流工況和順流工況來進行驗證。通過設置最大網(wǎng)格尺寸來生成不同數(shù)量的網(wǎng)格，分別取網(wǎng)格數(shù)為95 982個、129 840個、142 938個、198 542個、235 420個，發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，2種工況模擬值差距越來越小并趨于穩(wěn)定，考慮到計算機性能及結果準確程度的影響，最終確定網(wǎng)格數(shù)為142 938個。

2.4 物性參數(shù)的確定

以水的物性參數(shù)為例，水的溫度在熱量傳遞過程中不斷變化，為保證模擬的準確性，經(jīng)REFPROP9.1查詢水的密度、比熱容、導熱系數(shù)、粘性等物性后利用MATLAB以最小二乘法為基礎進行擬合，得到這些參數(shù)與溫度的關系關聯(lián)式，在Visual Studio 2013中編寫水的物性參數(shù)隨溫度變化的UDF，編譯完成后加載進Fluent中。常壓下水的部分物性參數(shù)如表2所示。

表2 水的物性參數(shù)

3 模擬過程及結果

3.1 模擬過程

激活能量方程以及k-ε紊流模型，采用couple算法，將各個殘差都設定為10-6，并在內外管出口處設定溫度監(jiān)測曲線，待殘差曲線收斂且監(jiān)測曲線穩(wěn)定后輸出結果。

模擬了順流、逆流換熱的4種不同形式，分別如表3所示。

表3 不同工況流向

與表3所對應的工況如圖6所示。

圖6 不同工況流向簡圖

3.2 模擬結果

保持內管入口速度為0.02 m/s不變，工況2、3不同外管速度下溫度場模擬結果對比如圖7～圖11所示。

圖7 外管入口速度為0.03 m/s溫度場

圖8 外管入口速度為0.06 m/s溫度場

圖9 外管入口速度為0.09 m/s溫度場

圖10 外管入口速度為0.12 m/s溫度場

圖11 外管入口速度為0.15 m/s溫度場

由圖7～圖11可知，隨著外管流速的升高，2種流向外管出口溫度都呈下降趨勢，這是因為在外管流速增加的工況下，外管中的冷流體與內管中的熱流體接觸時間變短，導致外管流體換熱還未充分就流至管外。在流體流動過程中水平位置流動比較穩(wěn)定，在流動方向發(fā)生變化時會發(fā)生擾動，可以得知，在流向發(fā)生變化時會增大流體的擾動從而加強換熱效果。因此，在實際的應用中可以在條件允許的情況下使流體流動方向發(fā)生多次改變從而增強換熱。

利用Fluent中的SurfaceIntegrals可以提取出內外管出口流體平均溫度，經(jīng)整理在Origin中進行處理可得如圖12所示點線圖。

圖12 內、外管出口平均溫度曲線

由圖12及Fluent中提取到的數(shù)據(jù)可知，外管流體流速由0.03 m/s提高至0.15 m/s的過程中：外管出口溫度逆流工況溫升由11.838 K降低至2.825 K，順流工況溫升由11.04 K降至2.727 K，這是因為外管流體流速越低，與內管流體換熱會越充分，且逆流工況出口溫度永遠高于順流工況，隨著流速降低，其差距亦會增大；內管出口溫度逆流工況溫降由26.099 K升高至27.41 K，順流工況溫降由25.484 K升高至27.165 K，這是由于隨著外管流體流速增加，其流量也會增加，從內管中帶走的熱量就會增加，致使內管溫降變大，并且內管出口溫度逆流工況永遠低于順流工況。綜上所述，逆流換熱效果要優(yōu)于順流。

工況1～4在Fluent中提取到的出口溫度數(shù)據(jù)在Origin繪制點線圖如圖13所示：

圖13 4種工況不同外管流速內、外管出口溫度曲線

保持外管速度0.03 m/s不變，改變內管速度，模擬結果經(jīng)處理在Origin中可繪制如下點線圖14。

圖14 4種工況不同內管流速內、外管出口溫度曲線

由圖13、圖14及Fluent出口參數(shù)可得，在相同條件下逆流換熱情況一直優(yōu)于順流，2種不同順、逆流差距不大。若想得到較高的外管出口溫度，換熱優(yōu)劣順序為工況3、工況4、工況2、工況1，以逆流換熱工況3、4為例，工況3外管流體從下到上過程中需要克服重力的影響，加大了流動過程中的阻力，換熱效果更好，因此外管出口溫度要高于工況4，工況1、2同理。

4 結論

利用Fluent軟件對套管式換熱器不同內外管流速條件下的不同流體流向進行了模擬，結果表明同等條件下逆流換熱效果一直優(yōu)于順流換熱，驗證了以往經(jīng)驗的準確性。同時，在條件允許的情況下可以增加管內流體流向改變的次數(shù)，通過增加流體擾動性達到增強換熱的效果。