板翅式換熱器封頭型式的改造＊

李美玲，田寶龍，王宏偉，張燕來

(1．開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)院，河南開封 475002;2．天津大學(xué)化學(xué)工程研究所，天津 300072; 3．中國石油吉林石化分公司電子商務(wù)部，吉林 132022）

·工藝與設(shè)備·

板翅式換熱器封頭型式的改造＊

李美玲1，田寶龍2，王宏偉3，張燕來2

(1．開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)院，河南開封 475002;2．天津大學(xué)化學(xué)工程研究所，天津 300072; 3．中國石油吉林石化分公司電子商務(wù)部，吉林 132022）

采用計(jì)算流體力學(xué) (CFD）方法研究大型板翅式換熱器封頭內(nèi)的流體流動(dòng)，根據(jù)流動(dòng)特征提出在封頭段加入導(dǎo)流分布板改善流動(dòng)分布均勻性的方法。與未加入導(dǎo)流分布板比較結(jié)果顯示，加入導(dǎo)流分布板后，流體分布得到改善，傳熱系數(shù)亦有顯著提高。

板翅式換熱器;封頭;導(dǎo)流分布板;CFD

板翅式換熱器最早應(yīng)用在航空、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，20世紀(jì)50年代開始在空氣分離設(shè)備中得到應(yīng)用，并于1978年由開封空分集團(tuán)研制成功第一臺(tái)鋁制板翅式換熱器。而目前國內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造板翅式換熱器與國外的效率仍有很大的差距。

影響板翅式換熱器換熱效率的因素主要集中在兩個(gè)方面:一是流體分布的均勻性;二是翅片形狀的傳熱特性。國內(nèi)外多數(shù)研究認(rèn)為流體分布不均勻是由于封頭、配管設(shè)計(jì)不合理［1-2］，在流體還未進(jìn)出板束體進(jìn)行換熱時(shí)已產(chǎn)生了不均勻分布，這種不均勻性影響范圍大，對(duì)傳熱效率的影響嚴(yán)重，并指出封頭結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致流體分布不均的主要因素。

近年來，較多的文獻(xiàn)研究板翅式換熱器封頭內(nèi)的流動(dòng)分布問題，并根據(jù)流動(dòng)特征提出了一些改進(jìn)措施。Zhang［3］認(rèn)為在傳統(tǒng)的封頭中，流體在軸向上的分布不均現(xiàn)象要比徑向上嚴(yán)重，采用一種二級(jí)封頭來降低分布不均勻性。Jiao［4］也引入了二級(jí)封頭的概念，通過實(shí)驗(yàn)研究，他們得出兩個(gè)封頭的最佳設(shè)計(jì)能有效提高流動(dòng)分布均勻性。但是二級(jí)封頭的使用在安裝空間較小的情況下會(huì)受到一定的限制。Wasewar［5］采用CFD方法研究傳統(tǒng)板翅式換熱器封頭，并提出“人”字形改進(jìn)。但新的結(jié)構(gòu)大大減小了流體流動(dòng)的自由空間，會(huì)在一定程度上增加阻力。

Wen等［6-7］采用PIV方法研究板翅式換熱器入口流域的流動(dòng)特點(diǎn)，通過在封頭內(nèi)加入打孔板提高封頭軸向和徑向的流動(dòng)分布均勻性，并認(rèn)為加入打孔板是提高封頭內(nèi)分布均勻性的首要選擇。S Lalot等［8］確定了在進(jìn)口封頭中加打孔分布板的最優(yōu)位置，并指出分布板加入位置不合理可能會(huì)導(dǎo)致回流現(xiàn)象發(fā)生。Sheik Ismail［9］比較了加打孔分布板和不加打孔分布板兩種封頭結(jié)構(gòu)，得出加板的均勻性要優(yōu)于不加的，并給出最優(yōu)的打孔尺寸和分布孔排列形式。雖然加入打孔板方式可以有效提高流體分布均勻性，但同時(shí)會(huì)較大程度地增加阻力。

理想的封頭型式要能夠較大程度地提高流體分布的均勻性，但要盡量避免引入過高的流動(dòng)阻力。提高流體分布均勻性主要有兩種方式:一是加入分布板，通過開孔實(shí)現(xiàn)流體分布，但帶來的阻力較大;二是加入導(dǎo)流板，通過導(dǎo)流方式實(shí)現(xiàn)流體分布，帶來的阻力也較小。顯而易見，第二種方式是提高流體分布均勻性的最佳方式，但是在一些情況下，由于設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特征，通過導(dǎo)流方式提高流體分布均勻性會(huì)受到一定的限制。本文基于這一思想，將上述兩種方式耦合，通過在封頭內(nèi)加入導(dǎo)流分布板提高流體分布的均勻性，但帶來較小的流動(dòng)阻力。

由于翅片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，換熱器的CFD計(jì)算強(qiáng)度非常大，因此文獻(xiàn)報(bào)道的模擬尺寸度非常小。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

在本文中，工質(zhì)空氣為常物性不可壓縮流體，描述其流動(dòng)與傳熱的控制方程如下:

其中，ρ為密度，kg/m3;p為壓強(qiáng)，Pa;μ為粘度，kg/ (m·s）;T為溫度，K;α為熱擴(kuò)散率，m2/s;ux，uy，uz分別為速度在x，y，z三個(gè)方向的分量。

1.2 邊界條件設(shè)置

由于封頭為對(duì)稱圖形，計(jì)算時(shí)采用原結(jié)構(gòu)的一半建立物理模型。該模型中封頭出口與翅片區(qū)相鄰。

取工廠實(shí)際應(yīng)用翅片，型號(hào)為95J1703/30，型式如圖1，尺寸如表1。采用多孔介質(zhì)來替代，可以大幅度減少網(wǎng)格數(shù)，減小計(jì)算強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)大型工業(yè)尺寸換熱器的模擬。多孔介質(zhì)區(qū)域的設(shè)置以壓降相同為準(zhǔn)則，首先采用精確物理模型計(jì)算壓降特性，然后轉(zhuǎn)換為多孔介質(zhì)參數(shù)。同樣，從精確物理模型出發(fā)，計(jì)算傳熱系數(shù)與流速及物性的關(guān)系，然后由多孔介質(zhì)的速度分布來計(jì)算傳熱系數(shù)的分布。操作壓力為15.9 bar(注:1 bar=0.1 MPa）。

圖1 鋸齒型翅片F(xiàn)ig.1 An offset fin

表1 鋸齒型翅片尺寸Table 1 Dimension of an offset fin

2 物理模型

板翅式換熱器常用封頭如圖2所示，具體尺寸見表2。

圖2 板翅式換熱器的傳統(tǒng)封頭Fig.2 Original header of plate fin heat exchanger

表2 封頭尺寸Table 2 Dimension of header

改進(jìn)型封頭是在原來的基礎(chǔ)上，在封頭內(nèi)部加一塊導(dǎo)流分布板，結(jié)構(gòu)成“人”字形，板上開孔率由中間進(jìn)料口向封頭兩側(cè)遞增。導(dǎo)流板形狀如圖3所示。

圖3 改進(jìn)型封頭物理模型Fig.3 Modified header of plate fin heat exchanger

2.1 流速分布均勻性

在未加導(dǎo)流分布板之前，選取進(jìn)口流速為10 kg/s，翅片區(qū)進(jìn)口流速分布如圖4所示。

圖4 原始封頭下翅片區(qū)域入口速度分布圖Fig.4 Velocity profile of plate fin region with original header

加入導(dǎo)流分布板之后，依然選取進(jìn)口流速為10 kg/s，翅片區(qū)進(jìn)口流速分布如圖5所示。

由圖4可看出，在未加導(dǎo)流分布板時(shí)，翅片區(qū)的流速分布很不均勻，進(jìn)口管道中心流速最大，偏中心位置出現(xiàn)速度極小值區(qū)域。這是由于在傳統(tǒng)封頭中，對(duì)準(zhǔn)入口中心處的流速很大，高流速的流體遇到翅片主體后會(huì)發(fā)生折流，并會(huì)在封頭形成漩渦。圖6中偏中心位置的速度極小值區(qū)域就是由于漩渦引起的。需要注意的是，速度極小值區(qū)域面積約占整個(gè)流動(dòng)面積的四分之一。可見，漩渦對(duì)流體分布均勻性影響嚴(yán)重，封頭型式的改進(jìn)就是基于消除漩渦帶來的影響。

圖5 改進(jìn)封頭下翅片區(qū)域入口速度分布圖Fig.5 Velocity profile of plate fin region with modified header

為提高流動(dòng)分布的均勻性，一般是加入分布板，通過增加阻力來增加均勻性。而將分布板改進(jìn)為導(dǎo)流分布板，不僅能夠提高流動(dòng)均勻性，同時(shí)能夠顯著降低壓降。同時(shí)，這種“人”字形導(dǎo)流分布板可以阻止漩渦的形成，消除渦流的負(fù)面影響。圖5為改進(jìn)型封頭出口流速分布圖，由圖5可知，流體分布均勻性較原始封頭的有明顯提高，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):第一，進(jìn)口管正對(duì)處的流速明顯降低;第二，流速的極小值區(qū)域面積明顯減少;第三，大部分流體的流速接近于平均流速。

圖6 翅片區(qū)流速的比較Fig.6 Comparison of velocity profile in plate fin region

圖6為兩種形式封頭下，翅片入口區(qū)域流速在橫向上的分布曲線，由圖6可以看出，原始封頭下，流速沿橫向由高降低再慢慢升高，其特點(diǎn)是:進(jìn)口管正對(duì)處的速度最大，并沿橫向迅速減小，在漩渦產(chǎn)生區(qū)域降到極小值，然后再慢慢升高。而改進(jìn)型封頭出口流速分布特點(diǎn)為:原最大值降低，原極小值升高，各點(diǎn)速度趨于平均流速。

經(jīng)計(jì)算可知，橫向上原始封頭內(nèi)氣體分布不均勻度 M=50.43%，最大值與最小值的比值為4.29，而改進(jìn)后封頭內(nèi)氣體分布不均勻度 M= 13.84%，最大值與最小值的比值為1.68。圖7為不同流速下，改進(jìn)型封頭與原始封頭的不均性的比較。

圖7 不均勻度的比較Fig.7 Comparison of flow maldistribution factor

由圖7可以看出，封頭改進(jìn)后不均勻度降低約11%～37%，且進(jìn)口流速越高，改進(jìn)型封頭提高均勻性就越明顯。

2.2 分布均勻性對(duì)傳熱效率的影響

圖8顯示了不同流速下封頭改進(jìn)前后換熱器壓降平均換熱系數(shù)的比較。加入導(dǎo)流分布板后，壓降有所增加，換熱系數(shù)提高顯著，速度越高，效果越顯著。

圖8 壓降的比較Fig.8 Comparison of pressure drop

3 小 結(jié)

本文利用一種新的CFD方法來研究大型板翅式換熱器封頭內(nèi)的流動(dòng)特征，并提出在封頭段加入導(dǎo)流分布板改善流動(dòng)分布均勻性的方法。比較顯示，傳統(tǒng)封頭下流體橫向分布不均現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)整個(gè)換熱器的傳熱效率影響很大。

［1］MUELLER A C，CHIOU JP．Review of Various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers［J］．Heat Transfer Engineering，1988，9(2）:36-50．

［2］SHAH R K，SEKULIC D P．Fundamentals of Heat Ex-Changer Design［M］．New York:John Wiley and Sons， 2003:809-853．

［3］ZHANG Z，LIY．CFD Simulation on Inlet Configuration of Plate-Fin Heat Exchanger［J］．Int JCryogenic Eng，2003 (43）:673-678．

［4］JIAO A，ZHANG R，JEONG S．Experimental Investigation of Header Configuration on Flow Maldistribution in Plate-Fin Heat Exchanger［J］．Int J Appl Thermal Eng，2003 (23）:1235-1246．

［5］WASEWAR K L，et al．CFD Simulation of Flow Distribution in the Header of Plate-Fin Heat Exchangers［J］．Chemical Engineering＆ Technology，2007，30(10）: 1340-1346．

［6］WEN J，LIY，ZHOU A．An Experimental And Numerical Investigation of Flow Patterns in The Entrance of Plate-Fin Heat Exchanger［J］．Int J heat mass transfer，2006 (49）:1667-1678．

［7］WEN J，LIY．Study of Flow Distribution And Its Improvement on The Header of Plate-Fin Heat Exchanger［J］．Cryogenics，2004，44(11）:823-831．

［8］LALOT S，F(xiàn)LORENT P，LANG SK．Flow Maldistribution in Heat Exchangers［J］．Int J Appl Thermal Eng，1999 (19）:847-863．

［9］ISMAIL L Sheik，RANGANAYAKULU C，SHAH R K．Numerical Study of Flow Patterns of Compact Plate-Fin Heat Exchangers And Generation of Design Data For Offset And Wavy Fins［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52(17-18）:3972-3983．

Investigation on Flow Behavior And Heat Transfer of Plate Fin Heat Exchanger

LIMeiling1，TIAN Baolong2，WANG Hongwei3，ZHANG Yanlai2

(1．Kaifeng Air Separation Group Co．，Ltd．，Kaifeng 475002，China;2．Chemical Engineering Research Center，
Tianjin University，Tianjin 300072，China;3．PetroChina Jilin Petrochemical Company，Jilin 132022，China）

Flow behavior in the header of a plate fin exchanger was studied with computational fluid dynamics(CFD） method．One gas distributor was developed in the header to improve the uniformity of gas flow．Comparison of two different header shows that fluid distribution was improved，and heat transfer efficiency increased consequently．

plate fin exchanger;header;distributor;CFD

TQ021

B

1007-7804(2011）04-0016-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.04.004

2011-07-04

李美玲 (1970），女，現(xiàn)在開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)院從事填料塔及空分工藝流程設(shè)計(jì)工作。