板翅式换热器封头结构物流分配的PIV实验研究
责任编辑：chineselng 浏览：2291次 时间： 2008-04-05 19:18:53
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摘要:周爱民厉彦忠文键张科王江(西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049)摘要：在数值模拟的基础上，利用粒子图像测速仪(PIV)对板翅式换热器原始封头A和3种改进的顺排孔板型封头结构(B、C、D)的流场进行了可视化的实验，获得了封头内部不同截面处流场的速度流线分..
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周爱民 厉彦忠 文键 张科 王江 (西安交通大学能源与动力工程学院 陕西 西安 710049) 摘要：在数值模拟的基础上，利用粒子图像测速仪(PIV)对板翅式换热器原始封头A和3种改进的顺排孔板型封头结构(B、C、D)的流场进行了可视化的实验，获得了封头内部不同截面处流场的速度流线分布图． 比较了Re=6．22×10 时原始封头A和一种改进型封头B的出口物流分配以及3种不同中孔面积比率的改进型封头对出口物流分配的影响．结果表明：改进型封头结构能有效地改善物流分配的均匀性；C型封头的不均匀参数S 和最大流速与最小流速之比0u最低；流量分布和中孔面积比率之间存在着一个最佳值． 关键词：孔板型结构封头；物流分配；中孔面积比率；PIV；结构优化 中图分类号：TK 124 文献标识码：A 文章编号：0438—1]57 (2006)03—0486—05 引言 板翅式换热器以其传热效率高、紧凑、轻巧、适应性广的特点，目前已在空气分离，乙烯、合成氨等石化设备，天然气液化和分离，航空，汽车，内燃机车，氢氦液化，制冷等领域得到越来越广泛的应用．然而由于板翅式换热器设计、制造及结构的不合理造成换热器内部物流分配不均匀，这是影响板翅式换热器换热效率的主要因素口 ]．文献[3]研究发现物流分配的不均匀性主要发生在封头部分，因而研究封头结构对板翅式换热器流动和换热的影响具有重要意义． 前人已通过大量实验和文献证明了传统的工业用原始封头结构存在着严重的物流分配不均匀，并提出了很多种改进方案． 其中文键等[4]提出了在原始封头基础上添加挡板的改进型封头结构，并在文献[4—6]中通过数值计算分析了改进型封头相对于原始封头的优点以及不同中孔面积比率对物流分配的影响，以便找到一种最佳的孔板型封头．本文首次引入PIV可视化技术对其进行实验研究，以此更直观地对孔板型封头进行合理的打孔优化，便于工业上的推广应用． 1 实验系统及内容 PIV技术原理及测量的组成系统详见文献[7—8]．实验系统如图1所示，所用PIV装置拍摄的是二维流场，为研究流体(含PIV专用的示踪粒子)在三维封头内部各方向特别是在各出口通道的物流分配情况，实验中将拍摄面垂直于封头出口截面方向，对比研究垂直流动方向的不同出口截面的流场分布，进而分析流体在整个封头内部各方向的分布．  由于封头结构沿轴线对称，为提高拍摄精度，仅取半圆式瓜皮封头结构的1／4圆为拍摄面． 受计算机存储空间的限制不能将所有的出口通道截面全部拍摄，故从距离入El管轴线最远的出口通道开始到距轴线最近的出口通道分别取序号为1～11的11个截面拍摄，拍摄截面位于所选通道口中间．本文中所用截面见图2，其中截面1为封头的端面，截面6为中间面，截面11为正对人口管截面． 本文所选用的原始封头A 和挡板封头结构(B、C、D)可参见文献[4—5]．由于在原始封头中，物流的分配对应入口管处流速很高，因此在挡板上对应入口管面积处打直径为10 mm的小孔．同一封头入口管径不变，故保持挡板上小孔数量不变．所研究的挡板结构关于入口管轴线对称，小、中、大孔从中心到两端分别排列，通过改变大孔和中孔所占比例，来考察其对物流分配的影响．3种挡板长度均为封头长度的2／3，孔的排布方式为顺排，不同的只是靠近封头端面的开孔大小，B、C、D封头中大孔和中孔数量比分别为4：3、3：4、2 ：5．  2 实验结果的分析与讨论 2．1 不均匀参数的定义 为了表示换热器截面通道流量分配的绝对不均匀参数，引人数理统计上的标准方差S．它反映了测量数据的离散程度，可以很好地体现不同工况、不同封头结构参数对板束单元体内部的被测量分配不均匀情况． 所得绝对值越大表示截面被测量分配越不均匀，反之，其分配就越均匀．这里定义Su表示速度分布的不均匀参数． 其中下标ch(i)表示第i个截面的测量值，下标ave表示截面平均测量值．N表示总截面数，本文中～=21．  另外引入θu表示换热器截面各通道流速的最大值与最小值之比，它也从一定程度上反映了不均匀分配的情况． 即  2．2 原始封头和改进型封头内部流场分布的对比 以下将原始封头称为A型封头结构，所选的改进型封头为B型带孔板的封头．以Re一6．22×1O 为例，对比分析A型和B型封头的出口流场分布情况，说明原始封头结构存在着严重的不均匀，而改进型封头结构B能有效地改善出口的物流分 配．规定平行于流体出口的方向为纵向，垂直于流体出口的方向为横向． 2．2．1 A型、B型封头内部流场纵向对比分析 加挡板后对应在入口管区域的截面上，流体不再从进口到出口直接流出，而是经过打孑L挡板的阻力使流场重新分配．从入口管到挡板之间，轴线附近由于受小孔阻力的影响速度减小，而靠近壁面处挡板上大孔阻力相对较小，因而速度变大．经过挡板后，从轴线附近4qL流出的流体速度较小，而靠近壁面的大孑L中流出的流体速度很高．经过从挡板到出口通道间的混合，在出口处流体从轴线到壁面分配已较均匀． 图3和图4分别为Re 6．22×10 时，原始封头和B型封头3个截面的速度流线分布图．从图3(a)和图3(b)看出，无挡板时截面1上流体全部从壁面向轴线方向流动，向出口方向的流动很少；加挡板后截面1上流体全部从壁面向出口方向流动，壁面附近更无回流产生． 说明加挡板后封头端面截面上流场分布变化明显． 可以看出，原始封头截面1上出口流速很小，而加挡板后截面1上出Cl位置流速较高，而且分布均匀．对比分析图3(c)和图3 (d)可以看出，在偏离入口管有挡板的截面上，流体在挡板前受阻力形成回流． 而在挡板后流体从孔中流出后扩散开来，无漩涡，靠近壁面处不再有回流，出口通道的有效面积得到了提高．    从图3(e)和图3(f)可以发现，在入口管附近，加挡板的封头和原始封头相比，最大的变化是出口通道靠近壁面处不再有回流产生，流体在壁面附近从大孑L中流出后直接流出通道，提高了通道的利用率． 2．2．2 A型、B型封头内部流场横向对比分析 从以上分析看出，加挡板的B型封头相对于A型原始封头，在平行于流动方向(纵向)的各截面上，出口物流分配变得更均匀，靠近壁面处无回流产生，通道利用率提高． 以下进一步对比分析A型、B型封头各截面出口平均速度可看出改进型封头结构对封头出口物流分配在垂直流动方向(横向)上的影响．从图4可以看出，改进的带挡板封头结构对封头出口在横向上的物流分配不均匀性有很大改善．封头内部添加带孔挡板后，对应入口管的小孔使相应的少数截面出口的高流速有所降低，最高流速从3．47 m·s 降为1．88 m·s_。；而偏离入口管的多数截面出口流速有了很大的提高，大部分流速都从0．5 m·s 以下提高到1．0 m·s附近，最低流速从O．15 m ·s 提高到0．65 m·s ．改进型封头对物流分配不均匀性的改善也可以从各截面出口速度的流速比和绝对不均匀系数上反映出：最高流速比 u从23．13降为2．89，绝对不均匀系数Su从1．21降为0．39．  2．3 不同中孔面积E匕率的影响 由上节的分析看出，改进的孔板封头无论是纵向还是横向上物流分配的均匀性都得到了很大提高，纵向上出口通道靠近壁面处的回流消失，横向上偏离入口管截面上的出口流速增大，换热器主体的有效换热面积得到提高．从图4可以看到B型封头中物流分配还存在一定的不均匀性，为了使流体在封头出口分配效果更好，通过改变挡板上中孔面积比率来研究封头内部流场的影响，进而选出较为合理的打孑L的挡板结构． 设A 、A。和A。分别代表孔板上小孔、中孔和大孔所占的总面积，定义中孑L面积比率A =A2／(A1+Az+A。)，则B、C、D的中孔所占面积比率分别为0．22、0．29、0．36．  图5为Re一6．22×10 时B、C、D封头出口横向速度分布图，从图中可以看出，和原始封头相比3种带挡板封头出口速度分布更加均匀．入口管附近截面上出口速度下降，而偏离入口管截面上出口速度有了很大提高．这3种封头比较，大孑L比例最少的D型封头(两排大孔，5排中孔)出口速度分布最不均匀，轴线附近截面的出口速度最高，两端截面出口速度最低．提高大孑L比例的C型封头(3排大孔，4排中孑L)，改善了出口物流分配不均匀性．从大孑L比例最高的B型封头(4排大孔，3排中孑L)速度分布图上可以看出，并不是挡板上大孔比例越高物流分配就越均匀，继续提高大孔比例后物流分配的不均匀性并没有继续改善．B型封头相对于C型封头效果有所恶化，轴线附近出口速度提高，端面出口速度下降．3种改进型封头对物流分配不均匀性的改善效果可以从表1中更明显地看出．  从表1看出，3种改进型封头相对原始封头，出口速度分布不均匀参数Su和最高流速比θu有明显的下降，说明改进型封头对换热器内部物流分配的不均匀性有很大改善． 而3种改进型封头相比。大中孔比居中的C型封头不均匀参数Su和最高流速比θu最小．这是因为：大孔少中孔多时挡板靠近封头端面处阻力大，不利于流场向两端分配；而大孔多中孔少时挡板靠近封头端面处阻力小，不利于轴线附近流速的降低；只有挡板上大孔与中孔比率合理时，封头出口物流分配才能达到最佳． 3 结 论 (1)通过实验发现原始封头A 内部物流分配存在严重的不均匀性，纵向在入口管轴线附近流速较高。而在靠近壁面附近有回流产生；横向物流分配更加不均匀，入口管附近截面出口速度很高，偏离入口管各截面出口速度极低． 改进型封头B能有效地改善封头的出口物流分配． 在R 一6．22×1o 时最高流速比θu从23．13降为2．89，绝对不均匀系数从1．21降为0．39． (2)分析了3种不同中孔面积比率的顺排孔板对封头内部物流分配的影响．结果表明：C型封头结构(3排大孔，4排中孔)最为合理．大孔和中孔所占比例要合理，过少或过多都不好，表明流量分配和中孔所占面积比率之间不是单向关系，而是存在着一个极值，为板翅式换热器的工业设计提供了一种优化措施． |
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