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金屬絲網波紋填料強化換熱器殼側傳熱研究
2019-07-19 閱讀：
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對一種利用金屬絲網波紋填料強化管殼式換熱器殼側傳熱的方案進行了仿真研究。利用 FLUENT 軟件通過求解多孔介質方程研究了金屬絲網波紋填料對殼側傳熱的強化效果，分析了不同空隙率的波紋填料以及不同入口速度對換熱器殼側傳熱性能的影響。結果表明: 利用金屬絲網波紋填料能夠明顯強化換熱器殼側傳熱，填料的空隙率越小、流體進入換熱器殼側的速度越小，傳熱效果越好。由于金屬絲網波紋填料具有阻力小、壓降低的點，該強化換熱器殼側傳熱方案對于低入口速度工況下的換熱具有勢。
管殼式換熱器由于其結構良好，簡單易用和較高的工作可靠性，目前仍然是很多工業部門中應用普遍的熱交換裝置。管殼式換熱器的傳熱阻力往往來自于殼側，因此強化殼側傳熱是改善換熱器性能的主要方式之一。為了強化殼側傳［1 ～ 8］ 提出了很多設計方案，進行了很 熱，各國學者 多理論和試驗研究，其中引起廣泛關注的是采用各種各樣的折流板，用得較多的是直折流板或弓形折流板，以及對它們的改進方案如折流桿式、螺旋折流板式以及螺旋扭曲橢圓管等結構。這些技術已經得到一定程度的應用，但是國內制造成本較高，且折流板搭接處容易造成漏流，說明該類換熱器的制造及裝配等工藝問題仍有待進一步完［9］ 。在總結和吸取前人成功經驗的基礎上，筆者針對一種在管殼式換熱器殼側填裝金屬絲網波紋填料的方案進行數值模擬，來說明該方案對強化換熱器殼側傳熱的勢。
1 方案介紹
如圖 1 所示，在傳熱管外填裝金屬絲網波紋填料( 傳熱管內流體的進出口未在圖中標出) ，傳熱的加強主要通過兩個途徑來實現: ( 1) 金屬絲網做成波紋狀能夠使介質在填料中的流動作曲線運動，加強了流體局部混合，使流體紊流度加深，并與傳熱管管壁充分接觸來實現換熱。( 2) 金屬絲網本身屬于多孔介質結構，利用多孔介質強化傳熱，已有幾十年的研究歷史 。換熱器填裝多孔介質后內部傳熱過程主要包括: ( 1) 多孔介質固體骨架與傳熱管的導熱過程; ( 2) 流體( 液體、氣體或兩者均有) 與傳熱管之間的導熱和對流換熱過程; ( 3) 流體與固體骨架之間的對流換熱過程; ( 4) 固體骨架之間、固體骨架與空隙中流體之間的輻射過程。
金屬絲網波紋填料如圖 2 所示，由若干平行直列的金屬波紋網片排列組成，波紋片傾角一般為 30°或 45°，相鄰兩波紋片方向相反，且在換熱器內部填裝時，上下兩盤填料交錯 90°疊放。金屬絲網波紋填料具有重量輕、比表面積大、空隙率高、壓力損失小、［14］填料壓降低、徑向擴散良好等點 。這些特點克服了傳統多孔介質在強化傳熱時流阻增加過快，導致實用價值不高的缺點，可使流體在低速、阻力增加很小的情況下換熱得到強化。多家生產廠商提供的金屬絲網特性參數數據顯示，一般金屬絲網波紋填料的壓力降約為 100 ～500 Pa /m2 。
2 殼側傳熱的數值模擬
2 ． 1 物理模型
根據管殼式換熱器布管方式，本文選取三根呈正三角形排列的傳熱管周圍的溫度場作為研究對象，如圖 1 所示。圓柱形換熱器殼體內部有三根傳熱管，傳熱管周圍布置金屬絲網波紋填料。殼體管徑為 48 mm，傳熱管管徑為 12 mm。殼側流體平行于管軸方向進入金屬絲網波紋填料內。
實體模型其它假設為: ( 1) 殼側流體為空氣，殼體內部波紋填料按多孔介質邊界處理，其波紋特性以阻力系數和湍流傳熱系數的變化來反映; ( 2) 管內通入飽和蒸汽，傳熱管管壁溫度可以看作是恒定壁溫; ( 3) 金屬絲網骨架為剛性惰性結構，內部流速較小，滿足 Darcy 定律，不考慮空氣在金屬絲網骨架上的吸附; ( 4) 金屬絲網視為體積平均多孔介質，均勻分散在氣體中，多孔介質可視為一種均勻彌散結構，各向同性，且每個單元都是均一的。
2． 2 數學模型
( 1) 多孔介質中質量方程對于單相流動，質量守恒方程為:
式中: γ 為多孔介質的空隙率; ρ 為流體的密度。
( 2) 多孔介質中動量方程多孔介質的動量方程具有附加的動量源項。源項由兩部分組成，一部分是粘性損失項，另一個是內部損失項:
式中: Si 為 i 個方向( x、y、z方向) 上的動量源項; D 為擴散系數矩陣( x、y、z 方向) ; C 為阻力系數矩陣( x、y、z方向) 。
( 3) 多孔介質中方程
對于多孔介質流動中方程的處理，可仍然求解標準輸運方程，只是需要修改傳導流量和過渡項。在多孔介質中，傳導熱量使用有效導熱系數，過渡項包括了介質固體區域的熱慣量:
式中: hf 為流體的焓; hs 為固體多孔介質的焓; keff=為多孔介質的有效熱傳導率; τ 為應力張量; Ji 為流體 i 的擴散流量; Shf 為流體焓的源項。
多孔區域的有效熱傳導率 keff 由流體的熱傳導率和固體的熱傳導率的體積平均值計算得到:
式中: kf 為流體的熱傳導率 ( 包含湍流的貢獻kt ) ; ks 為固體多孔介質的熱傳導率。
2． 3 邊界條件
模型的邊界條件包括: 入口速度邊界、壓力出口邊界、多孔介質區域和壁面邊界。
( 1) 入口邊界，設定為速度入口，進口速度為均勻來流; 流體進口溫度為 300 K。
( 2) 出口邊界，設定為壓力出口，出口靜壓為零。 ( 3) 多孔介質區域，多孔介質空隙率、阻力系數等參數分別按金屬絲網生產廠家提供的幾種常見的產品的參數設定。金屬絲網材料為 304 不銹鋼，其 物 性 包 括 密 度 7 930 kg /m3 ，比 熱 容 809 J / ( kg·K) ，導熱系數 28． 4 W / ( m·K) 。
(4) 壁面邊界，設定換熱器殼體為絕熱邊界，
熱流密度為零; 傳熱管內通入飽和蒸汽，管壁溫度可以看作是恒定壁溫為 378 K; 近壁區模擬采用壁面函數處理修正。
湍流模型選取 RNG k － ε 方程湍流模型，壓力、速度耦合采用 SIMPLE 算法
有波紋填料和無波紋填料模擬結果( 入口速度 u = 1 m /s) 對比如圖 3 ～ 圖 5 所示。圖 4 為無波紋填料時換熱器殼側出口面溫度分布，圖 4 和圖 5 為殼側裝填空隙率為 0． 5 的金屬絲網波紋填
| k eff = γk f + ( 1 － γ) k s | ( 4) |
式中: kf 為流體的熱傳導率 ( 包含湍流的貢獻kt ) ; ks 為固體多孔介質的熱傳導率。
2． 3 邊界條件
模型的邊界條件包括: 入口速度邊界、壓力出口邊界、多孔介質區域和壁面邊界。
( 1) 入口邊界，設定為速度入口，進口速度為均勻來流; 流體進口溫度為 300 K。
( 2) 出口邊界，設定為壓力出口，出口靜壓為零。 ( 3) 多孔介質區域，多孔介質空隙率、阻力系數等參數分別按金屬絲網生產廠家提供的幾種常見的產品的參數設定。金屬絲網材料為 304 不銹鋼，其 物 性 包 括 密 度 7 930 kg /m3 ，比 熱 容 809 J / ( kg·K) ，導熱系數 28． 4 W / ( m·K) 。
(4) 壁面邊界，設定換熱器殼體為絕熱邊界，
熱流密度為零; 傳熱管內通入飽和蒸汽，管壁溫度可以看作是恒定壁溫為 378 K; 近壁區模擬采用壁面函數處理修正。
湍流模型選取 RNG k － ε 方程湍流模型，壓力、速度耦合采用 SIMPLE 算法
3 數值模擬結果分析
由于金屬絲網波紋填料的生產廠家一般都提供了產品的壓力降特性參數，而且金屬絲網波紋填料的一個很大的點就在于其阻力小、壓降低，因此，本文著重討論換熱器殼側的溫度分布情況。3． 1 有波紋填料和無波紋填料模擬結果對比
有波紋填料和無波紋填料模擬結果( 入口速度 u = 1 m /s) 對比如圖 3 ～ 圖 5 所示。圖 4 為無波紋填料時換熱器殼側出口面溫度分布，圖 4 和圖 5 為殼側裝填空隙率為 0． 5 的金屬絲網波紋填
料后出口面的溫度分布以及 x = － 1 平面的溫度分布。由圖可見，裝填金屬絲網波紋填料后的傳熱效果明顯要比光管傳熱效果強得多。沿傳熱管管長方向，在金屬絲網波紋填料的強烈擾動作用下，流體在填料中作曲線運動，加強了流體局部混合，使流體紊流度加深，并與傳熱管管壁充分接觸來實現換熱，此時管外流體溫度逐步上升，并且到出口處已趨向于均勻。而對于光管，熱流體始終貼近于傳熱管管壁附近，使管壁面與流體之間的溫差減小，不利于傳熱的順利進行。
圖 4 和圖 6 ～ 圖 8 顯示了金屬絲網波紋填料在不同空隙率情況下出口面的溫度分布情況( 流體入口速度 u =1 m/s) ，圖中顯示，隨著孔隙率的，
孔隙率 γ = 0． 962 時，殼側流體的溫度分布與圖 3 中無填料時的溫度分布已十分接近。說明金屬絲網波紋填料有強化管殼式換熱器殼側流體傳熱的作用，且空隙率越小，強化傳熱效果越好，但殼程阻力也會隨著孔隙率的減小而。因此，需要在傳熱效果和流動阻力之間作出相應的取舍，由于篇幅關系，本文不對“傳熱效果和流動阻力之間關系”進行研究。本文所建立的模型可方便的對各種空隙率的絲網進行模擬對比。
3． 2 不同空隙率的波紋填料模擬結果對比
圖 4 和圖 6 ～ 圖 8 顯示了金屬絲網波紋填料在不同空隙率情況下出口面的溫度分布情況( 流體入口速度 u =1 m/s) ，圖中顯示，隨著孔隙率的，
金屬絲網波紋填料對換熱器殼側流體的擾動作用變小，減少了與傳熱管管壁充分接觸的時間，殼側流體的溫度變化越來越小，表現為藍色由淺變深，靠近壁面區域的溫度梯度顯著降低。當填料的
3． 3 不同入口速度模擬結果對
圖 9 ～ 圖 11 是空隙率 γ = 0． 7 的金屬絲網波紋填料在不同的入口速度下的模擬結果。可見，入口速度越低，則傳熱效果越好，因為入口速度高會使殼側流體在相同的孔隙率條件下通過金屬絲網波紋填料的時間變短，導致流體與傳熱管管壁不能充分接觸，使流體與傳熱管的換熱未來得及充分進行，因此換熱效果不如低流速下的換熱效果好。金屬絲網波紋填料的另一個主要點就是其低負荷性能好，幾乎沒有低負荷限，而其它換熱器由于阻力過大，不適用于低流速工況。因此本文提出的換熱器殼側填裝金屬絲網波紋填料的方案對于低入口速度工況下的換熱具有其它換熱器所不具備的勢。
結 論
模擬結果表明: 換熱器殼側填裝金屬絲網波紋填料可使流體在填料中作曲線運動，加強流體局部混合，使流體紊流度加深，并與傳熱管管壁充分接觸，從而能夠明顯強化換熱器殼側傳熱; 金屬絲網波紋填料的空隙率越小，則靠近壁面區域的溫度梯度顯著增加，換熱效果就越好; 換熱器殼側入口流體速度越小，傳熱效果越好; 本方案對于低入口速度工況下的換熱，克服了其它形式換熱器由于阻力過大而不適用的局限性，具有勢。
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