污垢对管内层流对流换热场协同影响的数值研究

1 过增元. 对 流换 热的 物理 机制 及其 控制: 速 度场 与热 流场的协同. 科学通报, 2001, 45( 19): 2118~ 2122
2 过 增 元, 黄素 逸. 场 协同 原 理与 强 化传 热 新技 术. 北
京: 中国电力出版社, 2004
3 胡玉生, 曾丹苓, 李友荣. 恒壁 温下管内 流体脉 动流动 对流换热的数值模拟. 工业加热, 2006, 35( 1) : 3~ 6
1 数值计算模型 1. 1 几何模型
换热管数值计算的几何模型如图 1所示, 管 径 20mmBaidu Nhomakorabea 长度 15m。流动状态为层流, 管壁采用 恒壁温加热方式, 管道进口处的速度不变, 并作如 下假设 [ 3] :
a. 流体为不可压缩流体, 物性为常数; b. 忽略重力的影响; c. 所有界面和接触表面不变形, 液-固接触 面为无滑移边界; d. 管子周向速 度、温度和压 力等的变 化可 略而不计 (即简化成二维问题 ) 。
3. 3 污垢对温度场和速度场的协同程度的影响 根据上述计算可知, 当管内污垢厚度增加时,
管内流体的流速和温度梯度均减小, 即 |U | | T | 减小, cos 增大, 由式 ( 8) 可知, 协同角减小。平 均协同角随污垢厚度的变化如图 7所示, 其变化 率为 0. 03 /mm。并且当污垢厚度增加到一定程 度后, 协同角的变化率减小直至基本不变。
4 张学富, 王成, 喻文兵等. 风火 山隧道空 气与围 岩对流 换热和围岩热传导耦合问 题的三 维非线 性分析. 岩土
工程学报, 2005, 27( 12): 1414~ 1420 5 周俊杰, 陶文铨, 王定标. 场协 同原理评 价指标 的定性
分析和定量 探 讨. 郑 州 大学 学 报 ( 工 学版 ), 2006, 27
垢内侧温度分布类似于等热流边界的壁温分布规
第 37卷 第 2期
化工机械
207
律, 而且随着污垢层厚度增加表面温度分布越接 近等热流, 因此其对流换热系数越大, 污垢增加 1mm, 对流换热系数增加的幅度为 15. 4% 。也就 是说, 污垢层越厚, 其内表面与流体间的换热越强 烈, 换热系数越大。但总的传热系数由于污垢的 热阻增大而减小, 污垢每增加 1mm, 总的传热系 数减小 1. 36% , 并且污垢刚产生时变化不大, 随 着污垢厚度的增加, 总的传热系数减小的速度加 快。如图 8所示。
m=
i xi ri ri xi ri ri
( 9)
2 计算结果
在物性参数和入口参数一定的条件下, 对管 壁温度恒定的管内层流对流换热进行了计算, 图
2给出污垢层和流体中的温度分布, 图 3 给出不
同污垢层厚度下协同角沿流动方向的变化情况,
表 1给出污垢厚度与平均协同角及努塞尔数的关
系。
20 6
化工机械
图 4 平均流速随污垢厚度变化
3. 2 污垢对流体温度场的影响 由于污垢的导热系数较小, 因此热量在污垢
层内的传递阻力较大, 使得污垢内外侧的温度分 布规律不同。外侧为等壁温, 内侧则沿流动方向
图 7 平均协同角随污垢厚度的变化
3. 4 污垢对换热系数的影响 污垢层越厚, 则总的转热系数越小; 而由于污
雷诺数 395. 33 387. 42 379. 51 371. 61 363. 70 355. 79
温度逐渐增大, 并且入口处内外侧温度差别很大, 出口处相对较小。即随着污垢厚度增加, 流体温 度分布由等壁温型向等热流型过渡。这使得流体 区域的温度分布及各点的温度梯度发生变化, 如 图 5和图 6所示, 随着污垢层厚度增加, 温度梯度 绝对值减小, 但它与流速之间的夹角增大。
由二维层流能量方程的矢量形式, 引入无因
次变量可获得无因次关系式 [ 1] :
N ux =
Rex P r
1 0
(
U
T ) dr
( 6)
其中矢量点积项 U T 可表示为:
U T = |U | | T | cos
( 7)
由此可得各点的协同角为:
=
arccos
U |U
|
|
T T|
( 8)
则全场面积平均协同角为 [ 5] :
s
污垢的密度;
cs
污垢的比热容;
T s 污垢温度。 1. 2. 2 边界条件
管壁为恒壁温边界, 壁温 ( 污垢外侧温度 ) 为
Tw = 350K; 污垢内侧和流体之间为固液耦合壁面 边界, 即 T s- = T f+ , qs- = qf+ ; 管道入口为速度边 界, T = T 0 = 300K, u = u0 = 0. 02m / s; 管道出口为
4. 3 污垢层的加厚使温度梯度场与速度场的协 同程度增强, 从而使协同角减小, 流体内的热传递 能力增强, 其变化率为 0. 03 /mm, 并且当污垢厚 度增加到一定程度后, 协同角基本不变。 4. 4 污垢的存在使总的传热系数减小, 污垢增 加 1mm, 总的传热系数减小 1. 36% , 但污垢表面 与流 体之间 的对 流换热 系数却 增大, 污垢 增加 1mm, 对流换热系数增加的幅度为 15. 4% 。 4. 5 从总体影响来看, 污垢使整个换热过程的 热传递量减小, 需要进一步研究使污垢的危害逐 步减轻。
性增强, 但总传热效果变差。
关键词 换热管 污垢 对流换热 场协同原理 数值计算
中图分类号 TQ051 5
文献标识码 A
文章编号 0254-6094( 2010) 02-0204-04
由于换热器工质不洁物质在换热面上沉积, 使得绝大部分换热器管内都会产生污垢。这些污 垢不仅影响热流的传递, 而且对管内流体的流场 和温度场的分布都有一定的影响。很多学者和专 家对对流换热和污垢热阻的影响及污垢的监测和 预测进行了细致深入的研究, 得出一些具有理论 意义和实用价值的结论。过增元院士等人提出的 对流换热场协同理论为研究对流换热、优化和发 展强化换热新技术提出了新 的思路 [ 1, 2] , 但有关 污垢对管内流动和对流换热场协同影响的研究甚 少。为此, 笔者利用数值分析的方法, 将污垢对管 内层流对流换热速度场、温度梯度场及其之间协 同程度的影响进行了分析与研究。
Ab stract The influence of sludge on the heat exchange speed fie ld and tem perature field of lam inar flow and convect ive flow and on the synergy content betw een them w ere stud ied using num erical analysis m ethod. T he resu lt show s that the sludge layer w as increased, the convect ive heat exchange coeffic ient o f the tube w a llw as ra ised, the synergy of the flow f ield and tem perature fie ld w as streng thened, the total heat transfer resu lt becam e bad under the condition of no t vary ing the flow speed. Keyw ords H eat Exchange T ube, S ludge, ConvectiveH eat Exchange, P rinciple o f F ield Synergy, Num erica l Ca lculat ion
象, 则将问题简化为二维、非稳态、常物性、轴对称 层流流动与换热问题。流体区网格为 200 10,
而且接近污垢层内侧比较密, 管道中心位置较疏;
污垢层的网格为 200 5, 都是长方形网格, 图 1b
所示的是图 1a的一个截面的上半部分。 1. 2 数学模型 [ 4]
1. 2. 1 控制方程
对于管内流体有, 质量守恒方程 (连续方
( 2) : 45~ 47
( 收稿日期: 2009-07-18)
Numerical Research on the Influence of S ludge on the F ie ld Synergy of the Heat Exchange of the Lam inar F low and Convective F low in Tubes
+
1 r
T+ r
2T z2
( 4)
式中 uz、ur 分别为水在轴向 z 和径向 r两个
方向的流速;
p 水的压力;
T 水的温度;
水的运动粘性系数; cp 水的定压比热容;
水的导热系数。
对于污垢层, 采用导热微分方程, 即:
s
s cs
2T r2
s
+
1 r
Ts+ r
2T s z2
=0
( 5)
式中 s 污垢的导热系数;
由图 3可知, 随着污垢层增厚, 平均协同角减 小, 说明管内对流换热的流场和温度梯度场的协 同性变好。污垢层内侧与流体之间对流换热的努 塞尔数增大, 对流换热性能增强。 3 分析与讨论
对流换热是温 度场和速度场 共同作用 的结 果, 它的大小不仅与物性有关, 而且取决于速度和 温度的分布。下面从污垢对速度场和温度场以及 对它们的协同程度的影响, 分析污垢对对流换热 的影响。 3. 1 污垢对流体速度场的影响
任意出口边界, 不用设置。
1. 2. 3 物性参数
换热管中污垢和流体 ( 水 ) 的物性参数如下:
污垢导热系数 s 1. 4W / ( m K ) 污垢密度 s 2 700 kg /m3 流体导热系数 0. 6 W / ( m K) 流体密度 998. 2kg /m3
流体定压比热容 cp 4. 182kJ/ ( kg K ) 流体粘度 1. 003mP a s 1. 2. 4 协同角的计算
ZHANG A ip ing1, XU Zhmi ing2, HE X iangying2
( 1N or th Ch ina E lectr ic P ow er University, Beijing, 102206, Ch ina; 2N ortheast D ianli U niver sity, J ilin, 132012, J ilin, China )
参考文献
图 8 污垢厚度与换热系数及总传热系数的关系
4 结论 4. 1 随着换热器换热管内污垢层增厚, 管内流 体的平均流速逐渐降低, 但降低幅度不大, 其变化 率为 0. 003 m / ( mm s) ; 4. 2 随着污垢层增厚, 污垢内侧温度变化增大, 逐渐接近等热流分布, 而且各点的温度梯度逐渐 减小;
程 ):
uz + ur + ur = 0
( 1)
z rr
动量守恒方程:
ur
ur r
+
uz
ur = 1 z
p r
+
2u r2
r
+
ur rr
+
2 ur z2
ur
uz r
+
uz
uz = 1 z
p z
+
2 uz r2
+
1 r
( 2)
uz + r
2uz z2
( 3)
能量守恒方程:
ur
T r
+
uz
T z
=
cp
2T r2
a. 三维网格模型
b. 二维平面网格模型
图 1 数值计算几何模型
* 国家重点基础研究发展规划基金项目 ( 2007CB206904 ) 。 ** 张艾萍, 男, 1968年 2月生, 教授。北京市, 102206。
第 37卷 第 2期
化工机械
205
由于管内流动与换热为轴对称分布, 为进一
步简化问题, 只取圆管轴心上面一侧作为研究对
在入口流速相同的情况下, 随着污垢厚度增 加, 流体的平均温度降低, 则其密度随污垢层厚度 增加而增大, 则根据连续性方程可知流速将减小, 即污垢层越厚, 流体在流动过程中流速减小越多。 平均流速随污垢厚度变化情况如图 4所示, 其变 化率为 0. 003m / ( mm s) 。因管道直径也减小, 故雷诺数随污垢层厚度增加而减小。
2010 年
表 1 污垢厚度与平均协同角的关系
垢厚 /mm 0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0
努塞尔数 3. 669877 3. 690754 3. 710403 3. 715055 3. 720483 3. 724360
协同角 /( ) 86. 480 86. 456 86. 455 86. 454 86. 452 86. 451
20 4
化工机械
2010 年
污垢对管内层流对流换热场 协同影响的数值研究*
张艾萍**
(华北电力大学 )
徐志明 贺香英
( 东北电力大学 )
摘 要 利用数值分析的方法, 研究了污 垢对管内层流对流换热速度场、温度场及它们 之间协同 度的影
响。结果表明, 在流速不变的情况下, 污垢层厚度增加, 管壁 的对流换热系数增大, 流场 和温度场 的协同