三角形布管方式下兩種換熱器傳熱與流阻性能研究

古 新，劉 冰，董其伍，劉敏珊，王永慶

(鄭州大學河南省過程傳熱與節(jié)能重點實驗室，河南鄭州450002)

0 引言

由于管殼式換熱器結構堅固、可靠性高、易于制造、傳熱效率高等特性而成為化工領域目前應用最廣泛的換熱設備之一［1］.近年來，強化傳熱技術發(fā)展十分迅速，尤其是殼程擾流結構的發(fā)展.大體上分為橫向流、縱向流和螺旋流.橫向流的代表是折流板換熱器，它存在傳熱死區(qū)多、阻力大、易結垢等問題.縱向流主要是折流桿換熱器，它雖然克服了橫向流的一些弊端，但它在低Re下傳熱效果不佳.螺旋流主要是螺旋折流板換熱器，它的殼程流速比較均勻，殼程壓力比較小，但它的制造和安裝非常復雜，所以也沒有得到廣泛應用［2－3］.

后來提出了斜向流，其代表是簾式折流片換熱器，它充分利用了橫向流和縱向流換熱器的雙重優(yōu)勢，既充分利用了橫向流的強烈沖刷管束的作用，從而提高了傳熱性能，消弱了流動死區(qū)，又由于它在總體上還是縱向流的趨勢，所以充分利用了縱向流的優(yōu)勢，即減小了殼程壓力損失、提高了抗振性能和除垢防垢效果［4］.筆者在前人研究的基礎上，研究了折流板與簾式折流換熱器的傳熱與流阻性能.

1 數(shù)值模擬及分析方法

1.1 流體動力學控制方程

流體流動受物理守恒規(guī)律的支配，包括［5－6］質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

1.2 幾何模型

管殼式換熱器一般都具有周期性的特點，即殼程沿流動方向可以劃分為進口段、周期性充分發(fā)展段和出口段.一般來說，換熱器殼程大部分換熱段都處于周期性充分發(fā)展段，此區(qū)域的流體流動和傳熱性能基本上反映了換熱器的整體性能.故數(shù)值模擬常常選擇此區(qū)域進行分析求解.在簡化了換熱器的幾何結構后，可建立周期性全截面計算模型，由于結構的對稱性，為了計算快捷，建模時取相對稱的半個實體即可［7］，如圖1和圖2所示.

換熱器殼體尺寸為Φ273 mm×6 mm，換熱管尺寸為Φ19 mm×2 mm，73根，布管方式均為三角形布管.以常溫下的水作為殼程介質，換熱管壁保持120℃恒溫，對不同Re數(shù)下的折流板和簾式折流片換熱器殼程流體流動和傳熱特性進行數(shù)值模擬分析.

圖1 兩種類型換熱器Fig.1 Heat exchanger of two types

1.3 計算方法和邊界條件

計算區(qū)域網格劃分時采用分塊劃分、結構化和非結構化網格相結合的方式，近壁節(jié)點采用壁面函數(shù)法處理，穩(wěn)態(tài)隱式格式求解，采用標準k－ε湍流模型計算湍流參量的影響;控制體積界面的物理量均應用二階迎風差分格式獲取;壓力速度耦合采用SIMPLE算法.進出口為周期性邊界條件;殼體壁面和管束支撐裝置采用不可滲透、無滑移絕熱邊界條件.能量方程收斂精度達到10－7，其他方程收斂精度達到10－4以下.

2 數(shù)值模擬結果

筆者是在殼程Re分別為4 000，6 000，8 000，10 000，12 000，14 000，16 000，折流板和簾式折流片間距均為100 mm，簾式折流片為對稱方式布置，傾斜角度為45°情況下進行的模擬分析.

圖2，3為Re為10 000時，簾式折流片換熱器和折流板換熱器對稱面上的速度、壓力、溫度分布云圖.

從圖2，3云圖可以看出，簾式折流片換熱器實現(xiàn)了流體的斜向流動狀態(tài).流體總體上還是縱向流動，由于折流片的斜向導流作用，斜向沖刷管束.由這些云圖可知，流體流經折流片和折流板時，由于流通面積突然縮小，故速度迅速增大，對換熱管產生了強烈的沖刷作用，并形成了高壓區(qū).流過折流片和折流板之后，流速下降，壓力降低.由云圖可知，折流板前后的速度、壓力、溫度變化范圍均大于簾式折流片前后的變化范圍.

2.1 傳熱性能分析

圖4為折流板換熱器和簾式折流片換熱器對應于不同Re數(shù)時，傳熱系數(shù)的變化趨勢圖.

圖4 傳熱系數(shù)隨Re的變化Fig.4 Curves of heat transfer coefficient and Re

從圖4中可以看出，兩種換熱器的傳熱系數(shù)均隨Re數(shù)的增加而增大，相同Re數(shù)下，折流板換熱器的傳熱系數(shù)高于簾式折流片換熱器.并且，隨著Re數(shù)不斷增加，折流板換熱器傳熱系數(shù)增加的幅度大于簾式折流片換熱器.

這是由于折流板垂直于筒體軸向方向布置，殼程流體總體上呈“Z”字型流動，橫向沖刷管束，在低Re數(shù)下就能達到湍流狀態(tài)，在殼程近壁區(qū)域減薄并破壞了邊界層，故傳熱得到了大大的強化.簾式折流片換熱器其殼程流體是斜向流動，湍動作用沒有折流板強烈，折流片的擾流作用也不及折流板，故簾式折流片換熱器的傳熱系數(shù)低于折流板換熱器.

2.2 殼程壓降損失

圖5所示為折流板換熱器和簾式折流片換熱器壓降隨Re數(shù)的變化情況.

從圖5中明顯看出，折流板換熱器的壓降遠遠高于簾式折流片換熱器，其壓降是簾式折流片換熱器的2.4倍左右.隨著Re的增加，兩種換熱器的壓降均增大，且折流板換熱器壓降增加的幅度大于簾式折流片換熱器.

圖5 壓降隨Re數(shù)的變化Fig.5 Curves of pressure drop and Re

究其原因，隨著Re數(shù)的增大，兩種換熱器殼程流體流動的湍動效果均被加強，從而使得因流體返混及折流板、折流片阻擋而造成的沿程阻力損失增加，表現(xiàn)為壓降均呈增大的趨勢.折流板換熱器殼程流體受到折流板的橫向阻擋，還得反復翻越折流板，故其流體流動阻力是相當大的.對于簾式折流片換熱器，由于折流片的導向和擾動作用，殼程流體傾斜流動，總體上還是縱向流動趨勢，其流動比較平緩，折流片附近幾乎不存在任何流動死區(qū)，從而抑制了可能造成較大阻力損失的因素，極大地減小了殼程整體阻力損失.

2.3 綜合性能分析

圖6為兩種換熱器的綜合性能隨Re數(shù)的變化情況.從圖中可以看出，兩種換熱器的綜合性能均隨Re數(shù)的增大而下降，簾式折流片換熱器的α/ΔΡ幾乎是折流板換熱器的2倍，說明簾式折流片換熱器的綜合性能優(yōu)于折流板換熱器.

圖6 綜合性能隨Re數(shù)的變化Fig.6 Curves of comprehensive performance and Re

這主要是因為簾式折流片換熱器充分利用了橫向流對換熱器強烈的沖刷作用引起的邊界層消弱的優(yōu)勢，又充分利用了縱向流換熱器的優(yōu)勢，消弱了折流板換熱器殼程流體因受到折流板橫向阻擋和翻越折流板導致的壓力損失，殼程流體在傾斜通道中受迫形成射流，對主流區(qū)流體的吸卷和擾動作用強烈，有助于進一步提高主流區(qū)的湍動程度和平均流速.雖然其傳熱系數(shù)稍低于折流板換熱器，但其壓降卻遠遠小于折流板換熱器，故其綜合性能優(yōu)于折流板換熱器.

3 結論

三角形布管方式下兩種換熱器的傳熱系數(shù)均隨Re數(shù)的增加而增大，相同Re數(shù)下，折流板換熱器的傳熱系數(shù)高于簾式折流片換熱器的傳熱系數(shù)，約是簾式折流片的1.32倍，且隨 Re數(shù)的增大，折流板換熱器的傳熱系數(shù)增加幅度稍微大點.

折流板換熱器的壓降遠遠高于簾式折流片換熱器，其壓降是簾式折流片換熱器的2.4倍左右.隨著Re數(shù)的增加，兩種換熱器的壓降均增大，且折流板換熱器壓降增加的幅度大于簾式折流片換熱器.

以α/ΔΡ作為衡量標準，兩種換熱器的綜合性能均隨Re數(shù)的增大而下降，簾式折流片換熱器的α/ΔΡ幾乎是折流板換熱器的2倍，說明簾式折流片換熱器的綜合性能優(yōu)于折流板換熱器.簾式折流片換熱器的這種結構特點對于節(jié)能降耗的研究改造具有重要意義.

［1］張少維，周榮蘭，桑芝富.折流板間距對換熱器性能影響的數(shù)值研究［J］.南京工業(yè)大學學報，2005，27(3)：65 －68.

［2］賴學江，戴勇，黃素逸.花板換熱器與單弓形折流板換熱器對比實驗研究［J］.化學工程，2008，36(12)：14 －17.

［3］Zhang Jian-fei，Li Bin，Huang Wen-jiang.Experimental performance comparison of shell-side heat transfer for shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles［J］.Chemical Engineering Science，2009，64(8)：1643 －1653.

［4］古新，董其伍，劉敏珊，等.導向型折流柵強化換熱器殼程傳熱的數(shù)值模擬［J］.核動力工程，2010，31(2)：113 －116.

［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.2版.西安：西安交通大學出版社，2001：488 －490.

［6］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［7］古新，董其伍，劉敏珊.周期性模型在管殼式換熱器數(shù)值模擬中的應用［J］.熱能動力工程，2008，23(1)：64 －68.