百叶窗形式对蒸发空冷器迎面风速的影响_陈良才

文章编号: 1005-0329(2010)10-0065-05

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百叶窗形式对蒸发空冷器迎面风速的影响

陈良才,蒋茂灿,江 波,杨东昊,冯志力

(华中科技大学,湖北武汉 430074)

摘 要: 用FLUENT数值模拟方法,研究了仰角进风百叶窗和俯角进风百叶窗对管束下方迎面风速分布的影响。研究结果表明,百叶窗俯角或仰角越大,管束下方气流的竖直分速越不均匀;俯仰角绝对值相同时,俯角进风的竖直分速分布较为均匀,但气流压降较大。百叶窗进风角度以15b左右为宜,此进风角度,空冷器压降小,进入管束的气流竖直分速分布较均匀,有利于发挥全部管子的换热能力。关键词: 空冷器;风速;百叶窗;CFD

中图分类号: TB65 文献标识码: A do:i10.3969/.jissn.1005-0329.2010.10.015

ImpactofShutterFormsonHeadWindunderBundleinanEvaporativeAirCooler

CHENLiang-ca,iJIANGMao-can,JIANGBo,YANGDong-hao,FENGZh-ili

(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract: BasedontheFLUENTsoftware,thewindspeedunderthetubebundleimpactedbytwodifferentformsofshutterswasinvestigated.Thegreaterthedepressionangleorelevationangleoftheshutterblades,themoreuneventheverticalairspeeddistributionunderthebundle.Astheabsolutevalueofdepressionangleequalstothatofelevationangle,theverticalairspeeddis-tributionwithdepressionangleismoreuniformthanthatwithelevationangle,butthepressuredropisbiggerthanthedropwithelevationangle.Theangleof15bisbetterthanothersoftheshutterbecauseofsmallerpressuredropandflatterprofileofwinddistributionfavorabletoplaytherollsofheatexchangeofalltubes.Keywords:aircooler;windspeed;shutter;CFD

1 前言

水膜蒸发式空冷器(以下简称蒸发空冷器)具有结构紧凑、传热效率高、投资省、操作费用低、占地面积小及安装维护方便等优点,在炼油、化工、动力、冶金、制冷、轻工等行业有着广阔的应用前景,是空冷技术发展的一个重要方向。

蒸发空冷器的原理是利用管外水膜的蒸发来强化管外换热。其工作过程是,喷淋水从光管管束上方往下喷淋到换热管表面,使管外表面形成连续均匀的薄水膜;同时用设备顶部风机将空气从设备下部百叶窗吸入,使空气自下向上流动,横掠水平放置的光管管束。喷淋水落到下方的水箱中,再用泵送到管束上方的喷淋装置中。此时管外换热除依靠水膜与空气间的显热传递外,更重

收稿日期: 2010-03-03 修稿日期: 2010-07-15

要的是,管外表面水膜的蒸发吸收了大量的热量,强化了管外传热。

换热管束是空冷器的核心,管束下方空气来流速度分布会影响到空冷器的换热和能耗。黄德斌和邓先和等学者研究了均匀速度进气和一定角度进气横向冲刷管束的换热情况,分析了进口角度对换热的影响。朱冬生和蒋翔等对蒸发式冷凝器进行了CFD模拟,得出了不同的来流速度及方向对蒸发式冷凝器传热和流动的影响,并和实验对比,探讨了来流流场影响传热传质和流动的机理。杜鹃和黄翔等也对迎面风速对传热

[5~9]

传质的影响进行了研究。本文在对物理模型进行合理简化的基础上,就仰角进风百叶窗和俯角进风百叶窗对管束下方迎面风速均匀性的影响进行了数值分析,数值分析的结果有助于选用合

[4]

[1~3]

66 FLUIDMACHINERY Vol138,No110,2010适的百叶窗结构形式,使进入管束的空气流速尽可能均匀,涡流损失尽可能小,风机能耗尽可能低。2 物理模型

如图1所示,蒸发空冷器基本形状为长方体,管长方向为x轴,x取值范围0~700mm;宽度方向为y轴,y取值范围-215~215mm,总宽430mm;向上的高度方向为z轴正向,z取值范围-200~340mm,总高540mm。模型底部水箱对空气流动的影响很小,故模型底部水箱的水面可简化为固体壁面。空气从蒸发空冷器下部四个侧面的百叶窗进入蒸发空冷器,从顶部流出。

管束为4排光管,每排8根管子,管外径25mm,同一排内管心距50mm,从管子横截面上看,管子呈正三角形布置。

制性对流,因此空气流动采用标准的k-E湍流模型:

k运输方程:

99

(Qk)+(Qkui)

9xi9tLt99k(1)

=[(L+)]+Gk-QE9xjRk9xj

E运输方程:99(QE)+(QEui) 9t9xi

Lt99kE

=[(L+)]+GlEGk

9xjRE9xjkE

-C2EQk

式中 k)))湍动能

2

(2)

E)))湍动耗散率

Gk)))由于平均速度梯度引起的湍动能k

的产生项

C1E、C2E)))经验常数Rk、RE)))与湍动能k和耗散率E对应的普朗特数在标准k-E模型中,模型常数的取值为C1E=1.44,C2E=1.92,Rk=1,RE=1.3。

Fluent中提供了两种求解器,一种是适合可压缩流动的耦合式求解器(CoupledSolver),即同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组;另一种是适合不可压缩流动的分离求解器(SegregatedSolve),它可顺序地逐

图1 蒸发空冷器物理模型

一求解各方程。本文中气体流速低、压降小,属不可压缩流动,故采用分离求解器。

为使计算稳定,压力-速度的耦合采用SIM-PLE方法。湍流动能、湍流耗散项和动量方程都采用二阶迎风格式离散。壁面为无滑移壁面。4 计算结果与分析

如图2(a)所示,常见的百叶窗为俯角进风式百叶窗,它可避免下落的喷淋水流到水箱外面去。俯角进风时,空气先向下倾斜穿过百叶窗,再转个急弯向上流动。本文除了研究这种俯角进风式百叶窗外,还研究了仰角进风式百叶窗。如图2(b)所示,仰角进风时,空气先向上倾斜穿过百叶窗,再平顺地向上流动。百叶窗的最上方安装导流板,将下落的喷淋水向水箱中间导引,避免经百叶窗流到外面。本模型中取百叶窗高180mm,叶片3 边界条件及计算方法3.1 进口边界条件:速度进口

空气在蒸发空冷器内的流动压降较小,可视为不可压缩流动问题,适宜以进口速度作为进口边界条件。设蒸发空冷器周围的空气进百叶窗的风速为2.5m/s。

3.2 出口边界条件:压力出口

空气流动为强制对流,出管束压力为负压,适宜以压力出口作为岀流边界条件。

3.3 计算方法

前处理、物理建模和网格划分在GAMBIT模块下完成,采用TGrid网格技术方法生成网格,使用六面体或楔形体网格,对整个模型分块划分。

在蒸发空冷器的换热管束中,空气流动为强2010年第38卷第10期 流 体 机 械 进风口4个,叶片节距45mm。

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是,空冷器管束是个长700mm宽430mm的矩形,两个宽边侧面百叶窗的进风量会与两个长边侧面百叶窗的进风量,在矩形内靠近两端处产生叠加效应。管束长宽比越大,双峰距离就越远;当管束长宽比缩小为1时,双峰则合为一峰。仰角30b进风时,管束下方迎面风速竖直分量的分布呈四角高中间凹的吊床状。四角高出的原因是,长边侧面百叶窗进风与宽边侧面百叶窗进风叠加。

图2 百叶窗示意

以上物理模型具有对称性,那么模型中剖面(半宽度处,y=0mm)的速度分布具有代表性。图3为俯角30b进风及仰角30b进风时,y=0mm处纵剖面上的气流速度矢量图。

图3(a)为俯角30b进风空冷器内空气流速矢量,可以看到空气先向下倾斜穿过俯角30b百叶窗,再转个急弯向上流动,并在进入管束前形成较大的对称双旋涡,这会额外增加能量损失。图3(b)为仰角30b进风空冷器内空气流速矢量,可以看到空气向上倾斜穿过百叶窗后,平顺地向上流动,但管束下方中部有明显旋涡,导致中部进入管束的空气流量较小。

空冷器内换热管呈正三角形排布,换热管间的流通面积相等,若要求各换热管管外参与换热的空气流量相同,则要求进入换热管间的气流速度在竖直方向上的分量应相等。故本文主要考察管束下方气流竖直分速分布的均匀性。

管束下方三维空气流场比较复杂,可在管束下方取一水平面,考察该平面上气流的竖直分速分布。图4为俯角30b及仰角30b时管束下方60mm处水平面上各点空气流速的竖直分速分布。

可以看到,俯角30b进风时,管束下方迎面风速竖直分量的分布呈双峰状。双峰形成的原因图3 空冷器内空气流速矢量分布

由图4可见,百叶窗倾角的俯仰对管束下方空气流场影响较大。于是,在图4风速面分布的基础上,找出有代表性的风速的线分布,以便更直观地了解和分析管束下方空气流场的均匀性。图5为俯角30b及仰角30b时管束下方60mm、半宽度处,气流竖直分速沿管长方向的分布。

图5(a)为俯角30b进风时,管束下方气流竖直分速的线分布,横坐标为管束的长度方向,坐标范围(0,700);纵坐标为气流竖直分速。可以看

到管束下方气流竖直分速的分布呈双峰状,波峰处速度较大,upeak=5.67m/s,波谷处速度较小,uvalley=4.55m/s,峰谷速度差$u=1.12m/s。管束下方靠近壁面处为气流死区,范围很小,可略去不68 FLUIDMACHINERY Vol138,No110,2010做分析。

图5 管束下方迎面风速竖直分量的线分布

为便于比较,对俯角进风的图5(a)也取相同的9个横坐标处的竖直分速,计算出标准差R=0.45。可见,俯仰角度绝对值相同时,俯角进风与仰角进风竖直分速分布的均匀程度相当,但俯角

图4 管束下方迎面风速竖直分量的面分布

图5(b)为仰角30b时,管束下方气流竖直分速的线分布。可以看到最高峰在两边近壁处,upeak=4.25m/s;最低谷在中部,uvalley=2.80m/s,峰谷速度差$u=1.45m/s。管束下方靠近壁面处为气流死区,范围很小,也略去不做分析。从最高峰到最低谷间竖直分速u并非单调变化,而是出现了波动。与用$u表达速度分布的均匀程度相比,用若干特征点处竖直分速的标准差?可更好地描述管束下方竖直分速多点波动分布的均匀程度。

取图5(b)中4个局部波峰值和3个局部波谷值,另外因最低谷与相邻两波峰间的距离较大,故在这两段距离的中部也各取一个点。这样在管束下方60mm沿长度方向共选取9个坐标点(75,140,210,280,350,425,500,570,625),对这9个点处的气流竖直分速按公式(3)计算出标准差R=0.47。

R=

19192ui-i2ui9i=l9=l12进风的均匀性稍好一些。

经计算得知,百叶窗取不同俯角时,其管束下方气流竖直分速的面分布及线分布形状分别与图4(a)及图5(a)相似。俯角较大时,管束下方涡流较大,管束进风不均匀。根据对流换热原理,进风速度小的地方,管子换热能力没充分发挥。且较大的涡流会明显增加空气流动阻力。随着俯角的减小,管束下方涡流逐渐变小,流场趋于均匀,空气流动阻力逐渐减小。

百叶窗取不同仰角时,其管束下方气流竖直分速的面分布及线分布形状分别与图4(b)及图5(b)相似。空气从百叶窗进入空冷器后,两边为气流的主流区,中间为气流旋涡区。仰角较大时,气流流场分布严重不均,管束下方中部产生很大的漩涡,气流分布状况恶化。随着仰角减小,气流分布状况得以改善,流场趋于均匀。

百叶窗叶片取不同俯仰角时,管束下方迎面风速竖直分量线分布的峰谷速度差$u、标准差R及空气流经空冷器的压降$p可计算得出,见表1。(3)2010年第38卷第10期 流 体 机 械

表1 不同俯仰角下气流竖直分速峰谷差、

标准差和气流压降

A(b)-45b-30b-15b15b30b45b

upeak(m/s)6.505.675.154.404.254.10

uvalley(m/s)5.004.554.253.302.802.15

$u(m/s)1.501.120.901.101.451.95

R(m/s)0.680.450.320.340.470.70

$p(Pa)48.045.244.040.337.134.0

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由图可见,空气俯角进入蒸发式空冷器时,进口到出口的流动压降比仰角进入的流动压降明显大一些。这是因为空气俯角进入空冷器后,还需

拐个弯再向上流动。俯角越大,则拐弯越急,压降越大。而仰角进风,气流向上流动较平顺,压降就会较小。

空冷器的主要目的是换热。百叶窗仰角过大时,虽然流动空气压降小,但因管束迎面风速不均,致使中间一部分管束空气流速过小,换热能力未充分发挥。故百叶窗仰角不应过大,仰角以不超过20b为宜。5 结论

(1)俯角式百叶窗或仰角式百叶窗倾角越大,管束下方气流竖直分速的分布越不均匀,对管束换热也越不利;

(2)与俯角进风相比,仰角进风时空气流动压降小,有利于节省风机能量,但管束下方气流竖直分速的分布均匀性要差一些;

(3)综合比较,百叶窗角度以-15b~15b为宜,此进风角范围内,进入管束的气流竖直分速的分布较均匀。

若再考虑长期运行减小风机能耗,则百叶窗角度以仰角15b左右为宜,此角度进风,空冷器的压降小,且进入管束的气流竖直分速的分布较均匀,有利于发挥全部管子的换热能力。

参考文献

由表1拟合得峰谷速度差$u和速度标准差R与百叶窗倾角A(-45b~45b)的函数关系,见

公式(4)和公式(5)。

$u=0.0004A+0.0053A+0.9150R=0.0002A+0.0003A+0.2829

22

(4)(5)

由式(4)和式(5)的二次项知道,安装角A无论俯仰,随A绝对值减小,二次项值也减小,即峰

谷速度差$u和速度标准差R减小。反过来说,百叶窗俯角或仰角越大,管束下方气流竖直分速的分布越不均匀,对换热越不利。

由两个公式的一次项可知,与仰角(A>0)相比,取等绝对值的俯角(A<0)时,公式中一次项的值为负,这样$u和R会减小。即在常见的百叶窗叶片倾角范围内,要想管束下方气流竖直分速均匀,俯角安装比仰角安装效果好。这是因为,俯角进风时,气流先向下再向上,气流有较长的路程和较长的时间来逐渐均匀其速度分布。

还可看出,一次项的系数本身很小,若A绝对值也较小,则无论A取正或取负,R的一次项对$u和R的影响都比较小。即俯仰角较小(15b~15b)时,峰谷速度差$u和速度标准差R都很小,管束下方气流竖直分速的分布都比较均匀。或者说俯仰角绝对值都很小时,俯角与仰角的速度分布差别就很小了。

由Fluent数值模拟,还可看出百叶窗叶片倾角A对空冷器压降$p的影响,如图6所示。

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图6 空冷器气流压降随百叶窗叶片倾角的变化(下转第6页)6 FLUIDMACHINERY Vol138,No110,2010

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5 结语

(1)数值模拟试验可以看出射流中心速度在喷嘴内部达到最大值,随后开始逐渐降低,在喷嘴的外部结构为30b@11mm喷嘴的射流轴心线上的速度最大;

(2)由喷嘴的流量系数测试试验可以看出喷嘴流量系数随着进口收缩角度和出口圆柱段长度的增加先增加后降低,其中结构为30b@11mm的喷嘴比其他结构的喷嘴的流量系数高出0.2~0.6;

(3)冲蚀深度试验最终证明了结构为30b@11mm的喷嘴对砂岩的冲蚀深度最大,可作为最终的设计方案。

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作者简介:赵艳萍(1983-),女,硕士研究生,主要从事水射流基础测试方面的研究,通讯地址:400030重庆市重庆大学A区资源环境学院高压水射流研究室。

(上接第69页)

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作者简介:陈良才(1956-),男,湖北武汉人,副教授,从事传热传质与节能研究通讯地址:430074湖北武汉华中科技大学能源与动力工程学院。