优化设计的多孔挡板改善管壳式换热器的
管程进口流量分布
文摘
多孔板的优化研究,提高流量分布在管壳式换热器的管程进行使用数值和实验方法。 第一个假设在多通道的设计阶段热交换器是一个甚至流分布在多通道。 然而,这种假设通常是不支持在现实情况。 实验研究首次证实的有效性进行多孔挡板改善流分布在管壳式换热器的管程。 结果表明,挡板可以很大程度上减少分布不均。 然后我们进行数值优化多孔挡板的形状。 优化多孔板的曲率和圆孔的分布板使用数值方法确定。 优化结果表明,面积加权平均绝对误差的流量优化挡板下降到三分之一的样机挡板模型。 验证的数值优化,优化挡板的流场测量。 虽然有一些实验和数值结果之间的差异,结果表明,使用流分布优化模型样机的价格相比在很大程度上改善多孔挡板。
关键字
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壳管式热交换器; 数值优化;
粒子图像测速技术显现的; 多孔板
命名法
X
在轴向位置(毫米)
维
圆孔的直径(毫米)
维
管的内径(毫米)
维
我喷嘴直径(毫米)
问
流量(升分钟)
R
弧半径(米),沿径向样本点的位置
再保险
雷诺数
一个
区(米2)
V
速度(cm / s)
面积加权平均绝对误差的流量
R
多孔板的曲率半径(米)
l
圆孔的中心之间的距离和挡板的中心(毫米)
N
数量的样本点
1。 介绍 通过传热流体均匀分布的核心在设计一个热交换器是一个基本的假设。 在现实情况下,流量分布的均匀性是很少由于几何约束或操作条件来实现。 在这项研究中使用的分布不均是定义为一个偏离这个均匀流分布。 Geometric-induced分布不均(或机械诱导分布不均)是最常见的非均匀流的原因。 Geometric-induced分布不均有关换热器的流动不稳定性。 这通常分布不均的结果从头部的形状/箱/喷嘴或管壳式换热器的制造公差(STHX)并生成总值变化流量或通过流体流动通道差异。 自诱导的分布不均引起的变化在流体性质,如粘度、密度、或手术期间相变[1]。 虽然管方的流量分布不均是不那么重要的STHXs的性能[2]和[3],Pacio Dorao[4]报道明显性能降低的蒸发器STHX由于管程进口的流量分布不均。 他们表明,当相位变化时,流量分布不均有大量对换热器的热力性能的影响。 LNG汽化器,液化天然气海外工厂的核心部分之一,是一个典型的例子STHX相变[5]。 温家宝et al。[6]和[7]描述了使用多孔挡板改善板翅换热器的流动分布。 据我们所知,挡板的形状的优化及其影响的管程进口流STHX尚未研究。 在本文中,我们提出了优化STHX挡板模型可以大大提高管程进口的流动的均匀性。 除了提高蒸发器的性能,我们认为这项研究的结果提供新的见解流分布控制用于热交换器设计。 2。 实验方法和装置 头部分是内部的流场定量测量使用粒子图像测速技术(PIV)的方法。 我们测量了瞬时速度向量场的头没有挡板,挡板的原型和数值优化。 图1(一个)显示STHX流循环系统的实验装置。 系统的主要部件是一个STHX模型、流量计、泵和水库。 本研究中使用的STHX 1/3的缩小模型原型LNG汽化器。 充分发展湍流管流条件在进口完成了。 雷诺数是基于喷嘴直径(维我在管)和平均轴向速度是26000年。 根据雷诺数,流量是100行分钟。 虽然这个值小于原型STHX(82760),我们进行了初步实验Re = 15000和15000和证实,意味着流动特性没有改变,可以推断。图1(b)显示的坐标系统和几何图形的头和插入挡板的位置。 位于挡板X/维=?7,维管直径。
图1。
原理图的实验装置和仪器。
图选项
原型挡板设计基于知识的设计的挡板。 30%的价值选择的孔隙度挡板避免分离挡板的背后的泡沫正在形成[8]。 挡板的圆孔直径5、8、10毫米沿径向方向。 挡板的中心(R= 20 mm)有0%的孔隙度,使其功能作为冲击板。 一般来说,管包不是轴对称分布的和有更多的管平面平面的垂直平面。
两个CCD摄像头像素的分辨率为1.6×1.2 K同步Nd:YAG激光是用来捕获流动图像。 400年总瞬时速度向量场测量和ensemble-averaged获得他们的属性。
3。 数值优化方法
设计变量的曲率挡板孔的几何图形,包括它们的直径和分布。 我们使用了自动CFD优化方法和Isight?(达索系统)结合流利?(Ansys Inc .)来确定孔的几何图形的影响。 最优拉丁超立方方案用于这个优化过程。 优化过程的目标函数是最小化商。(1): 方程(1)
在哪里R我是样本点沿径向方向(0?吗R我?维/ 2),问N(R我)是数值模拟的流量值R我位置和问T(R我面积加权平均绝对误差定义的流量在情
)是流量的理论价值R我的位置。 在最初的平均绝对误差的温家宝和李提出的流量[6],每个通道
的流量板换热器的使用。 然而,当我们使用进口的流量计算轴向速度剖面,而不是每一个玻璃管的流量,我们使用α我为了弥补温家宝和李的之间的区别[6]定义和使用的定义在当前的研究中。 的定义α我的面积比是吗一个我(= 2πR我×博士)/一个o。一个o(=πD2/ 4)的面积管程进口。 理论价值是基于假设的轴向速度沿径向均匀分布。 在这项研究中,理论轴向速度的管口为2.36 cm / s。
4。 结果
4.1。 原型挡板对流量分布不均的影响
图2显示了平均速度场的管程进口STHX模型和挡板没有原型基于PIV测量结果。 由于联合阻断激光照明、速度信息封锁地区失踪。图2(a)和(b)是垂直的、平面的飞机没有挡板。 这些数据清楚地表明,强劲的直接从进口喷嘴水落管束。 大流通面积明显在拐角处的管外壁的一侧。 由于管包的不对称分布,漩涡核心的位置是在一个不同的位置在垂直平面的飞机。 尽管漩涡核心的径向位置在两个垂直的、平面的飞机相似,垂直面的漩涡核心更接近比平面平面管入口区域。
图2。
平均速度场的管程STHX PIV测量模型。
图选项
一个独特的发现是最管的轴向速度的垂直平面。 这有2.25厘米/ s的负面价值,而外层管的平面飞机几乎为零(0.25厘米/秒)。 因此,管束的外端有一个零或负质量流实验模型。 因此,我们可以预期减少热量STHX的性能。 另一项研究也报道负面或零速度在一个紧凑的换热器的通道[9]。 图2(c)和(d)提出了平均速度与原型板头地区的字段。 可以看到,涡管入口位于角落的减少,和漩涡核心的位置在垂直平面的飞机有相同的轴向和径向位置。 因此,多孔挡板抑制涡流的角落。 计数器旋转的漩涡出现在冲击区,和小漩涡出现在多孔挡板后面。 我们认为这造成了额外的水头损失。
定量调查改善流分布由于原型挡板,我们提取线数据的位置X/维从野外=?1.3结果(图3)。 作为原型的安装挡板导致流在挡板后面是对称的,我们目前的平均结果垂直与平面平面数据。
图3。
比较平均速度和累积流量根据挡板X/维=?1.3。
图选项
在图3,黑色实线代表的理想均匀轴向速度剖面100行分钟。图3(a)和(b)显示了轴向和径向速度的比较图3(c)显示累积流量计算使用轴向速度。 图清晰地显示了强劲的势头在负面冲击地区和轴向速度的外半径区域without-the-porous-baffle(WOPB)模型。 另一方面,with-the-porous-baffle的轴向速度模型聚合由理想的轴向速度剖面。 可以看出两级中心地区的轴向速度和轴向速度在最外层的地区减少。 WOPB的径向速度资料和由模型表现出很大的差异。 WOPB模型中,当地最大的是R= 0.04米,这是进口喷嘴半径相同,但一般大于由模型中,除了在近壁区(R> 0.11)。 负径向速度的地区由模型是由于背后的低压涡旋的形成冲击。
此外,虽然轴向和径向速度资料由模型的显示各种局部最大值位置沿径向方向,累积流量结果所示图3(c)表明,多孔挡板管的流动均匀性改善STHX。
意味着速度和流量的对比表明,原型挡板可以显著改善流动均匀性比传统的蒸发器多孔挡板。 这一结果与其他研究相似[6]和[7]。
4.2。 多孔挡板曲率的数值优化结果
增加流动均匀性和减少水头损失,数值优化。 定量比较不同数值模拟和PIV测量,比较平均速度和积累流量X/维=?1.3所示图4。 这个概要文件的流率和平均速度是相似的,除了一个微小的区别在墙上。 在流量最大的区别(16%)出现在R= 0.13米的位置。 CFD梯度较小和更大的一致性和在墙上显示弱漩涡区域与实验结果相比。 这表明CFD分析高估的影响相比,多孔挡板与实验分析。 不管CFD和实验结果之间的这种差异,我们认为所提出的数值方法可以帮助指导优化挡板设计。
图4。
比较数值和实验结果之间的平均速度X/维=?1.3。
图选项
4.2.1。准备 挡板曲率的数值优化
原型板直的外形,我们研究了挡板曲率的能力改善流动均匀性。 我们可以看到,挡板的曲率流率有很大影响。 流量的面积加权平均绝对误差所示图5。 的挡板。
在R/维=?1的最小值为
1.13%,减少了39.9%的误差(1.88%)的原型挡板。 一般来说,多孔挡板与凸形状误差低于与凹形
图5。
面积加权平均绝对误差比较流量根据不同的曲率。
图选项
一个小涡的形成在冲击区,挡板的中心,出现了。 为了避免流动逆转,我们放置圆孔直径4毫米提供30%的孔隙度。 结果表明旋涡形成区域消失了,和流量的平均绝对误差条件下的数字是1.89%,这是类似的曲率挡板撞击区。 因此,冲击区不一定有助于降低STHXs流分布不均。 我们进行了优化研究的圆孔板的最佳曲率。
4.2.2。 数值优化结果的分布的孔板
相关的设计变量的初始值分布的孔所示图6(一)设计变量如下:维01,维02 ∈(3、5)维03,维04,维年
05
∈(4、6)维06,维07年
,维08年
∈(6、10)维09年
,维10,维11 ∈[10],lJ ∈(lJ?1,lJ+ 1),J10 = 01、02、…、。
图6。
孔分布的图表设计变量和累积流量。
图选项
自动优化过程后,我们获得了最低的平均绝对误差流率(0.65%)。 这是由模型的约三分之一。 详细设计值和累积流量比较介绍图6(b)。这一数字显示curvature-and-hole优化模型是最接近的理论概要文件。
4.3。 实验验证数值优化
我们优化的挡板基于数值优化结果和研究在相同的实验条件下进行了验证。图7显示的速度结果管程进口与优化的挡板。 相比之下,图2(c)和(d)、流动结构的独特的特性在管程进口减少在角落里涡涡形成中部地区的消失
图7。
平均速度场管方头利用优化的挡板的PIV测量。
图选项
由于这抑制了漩涡,简化成为更直的入口管。 行速度和累积流量X/维=?1.3相比,提出了图8。 这图清晰地显示了轴向和径向速度剖面的变化由于挡板的优化。 轴向速度的优化在中心地区相比增加挡板,挡板的原型模型后的冲击区域。 除了这个中心区域,优化板平轴向速度剖面,在近壁区较小的负值。 径向速度的比较图8(b)也显示了平级的概要文件和减少更大的地区最靠近墙。 的另一显著特点优化挡板是振荡的消失的轴向和径向速度组件。 由于阶跃变化的大小直径的孔,原型板组件显示几个局部最大值和最小值的速度沿径向方向。 优化挡板没有表现出这一特点,更少的速度剖面的变化。
图8。
比较三个模型之间的平均速度X/维=?1.3从PIV测量。
图选项
5。 结论
为了提高流均匀性和热性能的LNG汽化器,我们调查了影响多孔挡板的管程的前面。 从速度测量,我们定量地确认了多孔挡板显著提高流的均匀性。 然后我们进行了数值研究,发现优化多孔挡板与流量的最小平均绝对误差。 根据研究结果,我们提出了最佳挡板的形状和孔的最佳分布挡板。 数值优化后,我们进行了一项实验研究验证该挡板。 虽然有一些PIV测量和CFD结果之间的差异,结果表明,流动均匀性提高使用该优化模型。 优化结果证实,抑制角涡是重要的改善流动均匀性和冲击区在多孔挡板的作用是减少流分布不均的不那么重要了。 洞的优化几何移除小漩涡背后的挡板和波动的轴向和径向速度沿径向方向。 我们相信这些数据对于STHXs的设计将会非常有用,如液化天然气喷雾器。
的利益冲突
没有宣布。
应答
重点研究中心的工作是支持计划(2012 - 048078),基础科学研究项目(2012 - 008918)通过韩国国家研究基金会和格兰特(08年gasplantc04)日前韩国的计划。 (王凯)作者之一是支持的中国国家自然科学基金(批准号。51179075,51109095,51239005和51209105),中国国家科技支柱项目(批准号。2011年baf14b03和2013年bak06b02),江苏大学的资深专业科研项目(批准号12 jdg045)。
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优化设计的多孔挡板改善流分布管壳式换热器的管程进口
