傾斜折流柵式換熱器殼程熱力特性研究

古 新，秦曉柯，王 珂 ，王永慶

1 引言

在諸多換熱器結(jié)構(gòu)中，管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最多的一種換熱器結(jié)構(gòu)[1-2]。管殼式換熱器按殼程流體流動(dòng)狀態(tài)分類，分為橫向流、縱向流、螺旋流及斜向流四種[3-6]。斜向流是近幾年提出來的一種新的殼程流體流動(dòng)狀態(tài)，其將橫向流和縱向流換熱的優(yōu)勢相結(jié)合，既利用橫向流對(duì)換熱管束強(qiáng)烈的沖刷作用，減薄邊界層，強(qiáng)化傳熱；又保持了縱向流換熱器傳熱性能好、殼程阻力小、抗結(jié)垢能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。

文獻(xiàn)[7]研究了常規(guī)斜向流換熱器折流柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)殼程傳熱和流阻的影響，結(jié)果表明不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有顯著影響，但未考慮折流柵排布方式的影響。汲水等[8]利用場協(xié)同原理分析了螺旋折流板換熱器三角區(qū)的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，結(jié)果表明殼程流體局部流速的增大并不一定能強(qiáng)化換熱，很好地驗(yàn)證了場協(xié)同理論。

通過分析斜向流換熱器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，提出一種傾斜折流柵式換熱器；其折流柵傾斜排布在殼程，使得折流柵中的折流片沿軸向排開，增加殼程流體斜向流動(dòng)的程度。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)新型斜向流換熱器進(jìn)行研究，考察折流柵的排布方式對(duì)斜向流換熱器殼程熱力特性的影響，為斜向流換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 計(jì)算模型與數(shù)值方法

2.1 計(jì)算模型

常規(guī)斜向流換熱器折流柵垂直排布在殼程，折流柵與管束軸線呈90°夾角；為改善換熱器殼程傳熱性能，提出傾斜折流柵式換熱器，其結(jié)構(gòu)為：折流柵在殼程呈傾斜排布，將折流柵與管束軸線的夾角記為β，如圖1所示。為減小折流片對(duì)殼程流體流動(dòng)的形體阻力，兩種換熱器中折流片與管束軸線的夾角均取30°[6]。分別建立常規(guī)斜向流換熱器模型a和β角為60°、70°、80°的傾斜折流柵式換熱器模型b1、b2、b3。斜向流換熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算區(qū)域模型分別，如表1、圖2所示。

圖1 折流柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Shutter Baffles

圖2 新型斜向流換熱器計(jì)算區(qū)域模型Fig.2 Schematic Diagram of Calculation

表1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Main Structural Parameters of Heat Exchanger

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在Solidworks中建立計(jì)算區(qū)域模型，并將模型導(dǎo)入到ICEM中，采用八叉樹法生成四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。通過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，最終確定常規(guī)和新型斜向流換熱器模型a、b1、b2、b3的網(wǎng)格數(shù)分別為 3.22×106、3.21×106、3.21×106、3.20×106。

殼程介質(zhì)為液態(tài)水，常物性，Pr=6.99。進(jìn)口為速度入口，溫度為20℃；出口為壓力出口；管壁為恒壁溫85℃；其他設(shè)為絕熱。湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，壓力和速度耦合方式選SIMPLE法，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流擴(kuò)散率和能量采用二階迎風(fēng)差分格式獲取。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，采用這里的方法對(duì)文獻(xiàn)[9]中的常規(guī)斜向流換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3所示。同實(shí)驗(yàn)值相比，數(shù)值計(jì)算得出的殼程傳熱系數(shù)和壓降最大偏差分別為18.89%和13.64%，表明數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是合理可靠的。

圖3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison Between Simulation and Experiment Results

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 殼程傳熱系數(shù)分析

不同折流柵排布方式下?lián)Q熱器殼程傳熱系數(shù)隨殼程流量的變化曲線，如圖4所示。

圖4 殼程傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流量的變化Fig.4 Heat Transfer Coefficient Varies with Different Mass Flux in Shell Side

由圖可知，兩種換熱器殼程傳熱系數(shù)均隨流量的增加而增加；傾斜角在（70～90）°范圍內(nèi)，隨著折流柵傾斜角的降低，殼程傳熱系數(shù)升高，但隨著傾斜角的繼續(xù)降低，如在（60～70）°范圍內(nèi)，殼程傳熱系數(shù)基本保持不變。傾斜角為70°，殼程流量在（4.4～8.0）kg/s條件下，傾斜折流柵式換熱器較常規(guī)斜向流換熱器傳熱系數(shù)提高（7.54～7.66）%。這是因?yàn)檎哿鳀诺膬A斜排布，使得折流片沿軸向排開，增加殼程流體斜向沖刷管束的程度，從而有效改善換熱器的傳熱性能；另外，質(zhì)量流量為7.3kg/s工況下，兩種換熱器橫截面上的速度矢量圖，如圖5所示。由圖5可知，通過將折流柵傾斜排布可以增強(qiáng)殼程流體斜向流動(dòng)的程度，并且提高了殼程流體流動(dòng)的擾動(dòng)程度，從而降低殼程換熱熱阻，強(qiáng)化傳熱。

圖5 截面速度矢量圖Fig.5 Velocity Vector of Section

3.2 殼程壓降分析

不同折流柵排布方式下?lián)Q熱器殼程壓降隨殼程流量的變化曲線，如圖6所示。由圖可知，兩種換熱器殼程壓降均隨流量的增加而增加；隨著折流柵傾斜角的降低，殼程壓降升高，但升高幅度不大。這是因?yàn)檎哿鳀艃A斜排布時(shí)，殼程流體不斷的被折流片阻擋，造成動(dòng)能損失，增加流體流動(dòng)的形體阻力。

圖6 殼程壓降隨質(zhì)量流量的變化Fig.6 Pressure Drop Varies with Different Mass Flux in Shell Side

3.3 殼程綜合性能分析

以Nu/（f）1/3作為評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)換熱器殼側(cè)等泵工條件下的綜合性能[10]。不同折流柵排布方式下?lián)Q熱器殼程綜合性能隨殼程流量的變化曲線，如圖7所示。由圖可知，隨著殼程流體流量的增加，換熱器綜合性能增加；傾斜角在（70～90）°范圍內(nèi)，隨著折流柵傾斜角的降低，殼程綜合性能升高，但隨著傾斜角的繼續(xù)降低，如在（60～70）°范圍內(nèi)，殼程綜合性能基本保持不變。傾斜角為70°，殼程流量在（4.4～8.0）kg/s條件下，傾斜折流柵式換熱器較常規(guī)斜向流換熱器綜合性能提高（6.29～6.45）%。說明折流柵的傾斜排布對(duì)傳熱系數(shù)的影響程度強(qiáng)于對(duì)壓降的影響，與常規(guī)斜向流換熱器相比，傾斜折流柵式換熱器綜合性能增加。

圖7 殼程綜合性能隨質(zhì)量流量的變化Fig.7 Comprehensive Performance Varies with Different Mass Flux in Shell Side

3.4 局部流場分析

由于換熱器殼程換熱熱阻大部分集中于換熱管外壁面的邊界層中，因此研究了換熱管近壁面處的縱向流場分布。在兩模型中分別取相同的兩個(gè)點(diǎn)，兩點(diǎn)距換熱管壁均為1mm，沿兩點(diǎn)取兩條平行于管束軸線的直線，即為驗(yàn)證線1和驗(yàn)證線2，如圖8所示。

圖8 驗(yàn)證線的位置Fig.8 Distribution of Tested Lines

在殼程進(jìn)口流量為7.3kg/s的工況下，研究兩種換熱器的殼程局部縱向流場，驗(yàn)證線上各點(diǎn)的流速變化曲線，如圖9所示。結(jié)果表明，在流動(dòng)未充分發(fā)展區(qū)，兩種換熱器殼程流體流速的變化均沒有一定的規(guī)律性，但總體上呈減小的趨勢，這是因?yàn)殡S著流體流入換熱器殼程，流通面積增大，流速逐漸降低；進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)以后，殼程流體流速呈周期性變化，流體流經(jīng)折流柵時(shí)，此時(shí)流通面積最小，流速達(dá)到最大，出現(xiàn)峰值；與常規(guī)斜向流換熱器相比，傾斜折流柵式換熱器殼程流體流速提高（6.04～6.86）%，這是因?yàn)檎哿鳀诺膬A斜排布，使得垂直于流動(dòng)方向的二次流增加，提高殼程流體流動(dòng)的擾動(dòng)程度。由3.1分析可知，殼程傳熱系數(shù)隨流速的增加而增大，傾斜折流柵式換熱器相當(dāng)于增加了殼程流體的流速，換熱器的傳熱性能得到提高。

圖9 驗(yàn)證線上的流速分布Fig.9 Velocity Distribution of Tested Lines

3.5 強(qiáng)化傳熱機(jī)理分析

場協(xié)同理論[11]指出，在相同的速度場和溫度梯度分布的情況下，場協(xié)同角越小，傳熱性能越高。因此，運(yùn)用場協(xié)同原理對(duì)斜向流換熱器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行研究，得出新型斜向流換熱器傳熱性能提高的主要原因。

通過對(duì)兩種換熱器殼程傳熱系數(shù)、壓降和綜合性能分析可知，傾斜折流柵式換熱器能夠有效提高殼程的強(qiáng)化傳熱性能。筆者從場協(xié)同理論出發(fā)，分析了其強(qiáng)化傳熱機(jī)理。殼程流量為7.3kg/s工況下，兩種換熱器橫截面上的場協(xié)同角分布，如圖10所示。

換熱器殼程換熱熱阻主要集中在換熱管外壁面的熱邊界層中，因此殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)主要用于減薄換熱管外壁面的邊界層，強(qiáng)化傳熱。由圖可知，折流柵傾斜排布時(shí)換熱管外壁面處溫度場和速度場的協(xié)同角低于折流柵垂直排布時(shí)的場協(xié)同角；常規(guī)斜向流換熱器和新型斜向流換熱器殼程橫截面上的場協(xié)同角分別為77.86°和76.51°，可知折流柵的傾斜排布有效的改善了速度場和溫度場的協(xié)同性，提高殼程的換熱效率。

圖10 截面協(xié)同角分布圖Fig.10 Synergy Angle Distribution of Section

4 結(jié)論

通過分析斜向流換熱器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，提出一種傾斜折流柵式換熱器，并對(duì)常規(guī)和新型兩種斜向流換熱器進(jìn)行數(shù)值研究可知：

（1）常規(guī)和新型兩種斜向流換熱器的殼程傳熱系數(shù)、壓降、綜合性能均隨殼程流量的增加而增加；隨著折流柵傾斜角的降低，殼程傳熱系數(shù)、壓降、綜合性能升高，但隨著傾斜角的繼續(xù)降低，如在（60～70）°范圍內(nèi)，殼程傳熱系數(shù)和綜合性能基本保持不變。

（2）傾斜角為 70°，殼程流量在（4.4～8.0）kg/s條件下，傾斜折流柵式換熱器較常規(guī)斜向流換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能分別提高（7.54～7.66）%和（6.29～6.45）%。

（3）與常規(guī)斜向流換熱器相比，傾斜折流柵式換熱器殼程局部縱向流場流速提高（6.04～6.86）%。

（4）傾斜折流柵式換熱器能夠增加殼程整體的斜向流程度，提高其殼程速度場和溫度場的協(xié)同性，強(qiáng)化傳熱。

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