立式管殼式換熱器封頭內(nèi)部氣相數(shù)值模擬研究

祁東彬，張 健，史品佳

（1.江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠，江蘇 淮安 223200；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

在純堿生產(chǎn)過程中，碳化工序所需的反應(yīng)物之一——窯氣，在進入碳化塔之前經(jīng)過壓縮機壓縮后溫度較高，為了能夠滿足碳化工序的生產(chǎn)工藝要求，通常利用立式的管殼式換熱器對窯氣進行冷卻。

管殼式換熱器具有適應(yīng)性強、處理能力大、易制造、耐高溫、高壓等優(yōu)點［1］，但其內(nèi)部流場是一個不規(guī)則的三維流場，特別是進氣封頭內(nèi)部氣相流場最為復(fù)雜，因為封頭進口下端設(shè)有一塊防沖板，防沖板主要起到防止氣體對進口下端換熱器的沖蝕和分布氣流的作用［2，3］，其對流場分布的影響較大，數(shù)學(xué)理論及實驗研究很難對其進行表述。近幾年來，計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)在流場的數(shù)值模擬方面發(fā)展迅速［4］，能夠較為全面地對復(fù)雜流場進行模擬研究［5－7］，為設(shè)備在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)依據(jù)。因此，本文采用CFD技術(shù)中的FLUENT軟件對立式管殼式換熱器進氣封頭內(nèi)部含二氧化碳濃度為42%窯氣流場進行數(shù)值模擬分析。

1 模型建立

1.1 湍流模型

FLUENT軟件對于湍流的求解模型主要有標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型、RNG k－ε模型、RSM模型。其中RSM模型主要用于處理旋流場，而且計算量較大［8］；k－ε模型是從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出來的，其中ε方程由經(jīng)驗公式導(dǎo)出的，易用于處理簡單的湍流場［9］；RNG k－ε模型是在k－ε模型的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，并可用于低雷諾數(shù)流動的情況［10］。管殼式換熱器進氣封頭內(nèi)部氣相流場屬于復(fù)雜的湍流場，但并不屬于復(fù)雜的氣旋場，所以本文選擇RNG kε湍流模型。連續(xù)相氣體的流動過程可以用連續(xù)性方程和Navier－Stokes方程來表述：

連續(xù)性方程：

式中：ui，uj（i，j，＝1，2，3）為各時均速度分量；xi（i＝1，2，3）代表各坐標(biāo)分量；p 為流體的時均壓力；μ是流體的動力粘性系數(shù)；ρ是流體密度。

1.2 物理模型

本文選用φ1000管束的立式管殼式換熱器作為研究對象［11］，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示，管殼式換熱器中換熱管束上平面A－A分布圖及進氣口下端的防沖板的分布示意圖如圖1（b）所示。圖1（a）中換熱器截面B－B以上部分的氣相流場將作為本次數(shù)值模擬研究所需建立的三維實體模型，其中B－B截面與A－A截面的軸向距離為100mm。

對于模型的建立，首先根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸（包括防沖板的設(shè)計尺寸、換熱管的結(jié)構(gòu)分布及尺寸），使用三維建模軟件UG對圖1中界面BB以上的氣相流場進行建模，再將建好的模型導(dǎo)入ICEM CFD軟件進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，劃分好的網(wǎng)格圖形如圖2所示。

圖1 立式管殼式換熱器整體結(jié)構(gòu)及局部分布示意圖

圖2 網(wǎng)格模型

2 數(shù)值算法及邊界條件設(shè)置

將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLUENT軟件中進行求解，由于模型較大，空間離散化選項中壓力類型選為PRESTO，求解器為壓力耦合求解器，采用SIMPLEC算法處理壓力－速度耦合，壁面的邊界網(wǎng)格采用無滑移網(wǎng)格，換熱器進口使用流速入口的邊界條件，流速為55.29m／s（參照實際流量為25 000m3／h）。

3 結(jié)果與討論

本文對管殼式換熱器進氣封頭建立三維模型時，將三維參考坐標(biāo)系原點（X＝Y(jié)＝Z＝0）設(shè)立在換熱管束的上表面A－A截面中心處，坐標(biāo)系中Z軸與立式管殼式換熱器中心軸共線，坐標(biāo)系各軸線方向見圖1。在模擬結(jié)果分析過程中，將從模型中提取一個截面和兩條直線，截面：Y－Z截面，兩條直線：Y－Z截面與Z＝－50截面的交線（以下簡稱交線line＝－50）、Y－Z截面與Z＝－100截面的交線（以下簡稱交線line＝－100），通過以上兩個截面和交線上的壓力和速度分布情況對氣相流場進行分析研究。

圖3（a）和圖3（b）分別顯示的是Y－Z截面上的壓力分布云圖及軸向速度矢量分布圖。從兩幅圖中可以直觀的看出，封頭內(nèi)氣相流場具有較好的對稱性，這與防沖板布置的對稱性具有一定的關(guān)系。從圖3（a）壓力分布云圖中能夠發(fā)現(xiàn)，封頭內(nèi)壓力最大的區(qū)域位于防沖板的上部中心處，該區(qū)域的平均壓力在0.347MPa左右；壓力最小的區(qū)域集中在防沖板的下部靠近封頭器壁處，該區(qū)域在封頭內(nèi)是個環(huán)形區(qū)域，壓力數(shù)值在0.31MPa左右。其實，壓力較小環(huán)形區(qū)域的形成主要是由于該位置存在較大的渦流，這一點能夠從圖3（b）中得到應(yīng)證，這個渦流圍繞中心軸具有很好的對稱性，渦流的旋轉(zhuǎn)方向是由內(nèi)向外。這個較大渦流的存在對氣流場具有一定的破壞性，使氣流在流動中增加能量損耗，也就是所謂的渦流損耗，最終導(dǎo)致壓降增大。

圖3 Y－Z截面壓力及速度分布圖

圖4展現(xiàn)的是局部區(qū)域軸向速度矢量分布散點圖，從圖中能夠很清晰地觀察出，在這部分換熱管入口下部區(qū)域存在一定強度的渦流，這些渦流的形成主要是由于封頭內(nèi)部大渦流場在局部換熱管入口處形成的負(fù)壓。而這些受到負(fù)壓影響的換熱管，其氣體流量肯定會受到一定的影響，這部分換熱管的大概分布位置將在圖5中得到分析闡述。

圖5（a）和圖5（b）分別顯示的是交線line＝－50和交線line＝－100上的軸向速度分布散點圖。在圖5（a）中，能夠看到有部分速度矢量大于零的散點，這說明部分氣體的流向是沿軸線向上的，該結(jié)果與圖4所闡述的局部換熱管入口下部形成渦流的現(xiàn)象是一致的。同時，通過圖5（a）能夠確定入口下端形成渦流的換熱管主要分布在徑向半徑為240mm至400mm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，而在圖5（b）中并未發(fā)現(xiàn)速度矢量大于零的散點存在，這也就說明這些渦流存在的軸向范圍在0～100mm內(nèi)。

圖4 局部軸向速度矢量分布散點圖

從圖5（a）和圖5（b）中還能發(fā)現(xiàn)，軸向速度（氣體流量）最大的換熱管位于徑向半徑為100mm左右的區(qū)域內(nèi)，軸向速度（氣體流量）最小的的換熱管位于徑向半徑為300mm左右的區(qū)域內(nèi)，這兩個區(qū)域的軸向速度差隨著軸向距離的增大而增大。

4 結(jié) 論

通過對設(shè)有防沖板的立式管殼式換熱器封頭內(nèi)部氣體流場的數(shù)值模擬研究，得出以下幾點結(jié)論：

1）封頭內(nèi)壓力最大的區(qū)域位于防沖板的上部中心處，該區(qū)域的壓力平均值在0.347MPa左右；壓力最小的區(qū)域集中在防沖板的下部靠近封頭器壁處，壓力數(shù)值在0.31MPa左右。

2）防沖板下部氣相流場形成了一個較大環(huán)形的漩渦流場，這個較大渦流的存在對氣流場具有一定的破壞性，使氣流在流動中加大能量損耗，也就是所謂的渦流損耗，最終導(dǎo)致壓降增大。對此，可以從防沖板的結(jié)構(gòu)形式進行改進，使得封頭內(nèi)部的氣相流場更加平穩(wěn)。

3）徑向半徑在240mm至400mm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)分布的換熱管入口下端形成了一定強度的渦流，且渦流的軸向范圍在100mm以內(nèi)，這些渦流的存在影響了換熱管內(nèi)的氣體流量。

4）換熱器換熱管束中，軸向速度最大的換熱管位于徑向半徑為100mm左右的區(qū)域內(nèi)，軸向速度最小的的換熱管位于徑向半徑為300mm左右的區(qū)域內(nèi)，這兩個區(qū)域的軸向速度差隨著軸向距離的增大而增大。

圖5 直線上的速度分布散點圖

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