立式螺旋折流板冷凝器內制冷劑流型和換熱特性的數值模擬

郭　亞，林　麗，陳亞平，吳嘉峰

（東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京 210096）

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立式螺旋折流板冷凝器內制冷劑流型和換熱特性的數值模擬

郭亞*，林麗，陳亞平，吳嘉峰

（東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京 210096）

[摘 要]通過數值模擬對比研究單、雙頭變角度三分螺旋折流板與變間距弓形折流板立式冷凝器的凝結換熱性能。建立了設有擋液堰和疏液缺口的三分螺旋折流板立式冷凝器和弓形折流板立式冷凝器的模型，利用Fluent軟件的混合模型模擬了蒸汽在上述不同立式冷凝器內的速度、壓力及凝結液的分布情況。模擬結果表明，雙頭變角度三分螺旋折流板立式冷凝器能夠有效提高凝結換熱系數，其平均換熱系數可比弓形折流板方案提高35.7％，且擋液堰與疏液缺口能夠有效排液，防止凝結液被蒸汽流夾帶，克服了傳統(tǒng)立式冷凝器的水平弓形折流板不能有效疏液的局限。

[關鍵詞]立式冷凝器；三分螺旋折流板；擋液堰；疏液缺口；冷凝

*郭亞（1989-），男，碩士。研究方向：傳熱傳質。聯(lián)系地址：南京市玄武區(qū)四牌樓2號東南大學南高院103，郵編：210096。聯(lián)系電話：18795856362。E-mail：1017451713@qq.com；陳亞平（1956-），男，教授。聯(lián)系電話：13851729402。E-mail：ypgchen@sina.com。

0 引言

立式冷凝器相比臥式冷凝器，具有占地面積小、結構簡便、抽管束和維修方便等優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)弓形折流板結構的立式冷凝器由于管外凝結液在重力作用下聚集，管束表面的凝結傳熱熱阻很快沿程增大，導致其殼側的凝結換熱系數明顯低于臥式冷凝器，從而限制了立式冷凝器的應用。因此強化立式冷凝器的管外凝結換熱，對于在發(fā)電行業(yè)推廣立式給水加熱器極具價值。

提高冷凝器傳熱系數的關鍵在于減薄凝結液膜。彭曉峰等[1]曾提出利用凝結初始段液膜較薄、換熱系數較高的原理，構造分段短管傳熱面加中間排液的思路，并根據該原理設計了一種板翅式冷凝器。本課題組借鑒上述思路[2-9]在三分螺旋折流板換熱器基礎上，提出了立式三分螺旋折流板冷凝器方案[10]。該方案主要針對高、低壓給水加熱器等殼側凝結的管殼式換熱器，在垂直管束的殼側設置周向重疊三分螺旋折流板，將管束分隔成短管段，使傾斜折流板具有“排液盤”的功能，不斷將管束上的冷凝液刮下。蒸汽則將在折流板的作用下沿螺旋通道流動。同時，在折流板下游邊設置擋液堰和在折流板弧段上設置疏水缺口，可及時將從管束表面流下的凝結液沿殼體內壁排泄到換熱器底部，有效減薄傳熱管壁外液膜厚度，增加凝結量，提高換熱系數。

由于螺旋折流板冷凝器幾何結構發(fā)生變化從而導致殼程流體流動狀態(tài)發(fā)生改變，進而造成整體傳熱特性和壓力分布的改變，使得傳統(tǒng)的分析方法不能很好地滿足換熱器的設計要求。隨著計算數學的發(fā)展和眾多成熟商業(yè)軟件的開發(fā)，以及計算機硬件技術的不斷進步，采用試驗和數值模擬相結合的研究方法已逐漸成為許多工程研究領域的主流研究方法。本文采用數值模擬方法研究立式三分螺旋折流板冷凝器的換熱特性，采用Gambit軟件建立了三分螺旋折流板立式冷凝器結構模型以及帶有擋液堰和疏液缺口的折流板結構模型，并利用Fluent軟件的混合模型模擬蒸汽在上述不同立式冷凝器內的速度、壓力及凝結液的分布情況。本文還將三分螺旋折流板冷凝器與現(xiàn)有的弓形折流板立式冷凝器的換熱特性進行了分析比較。

1 數值計算方法

1.1 幾何模型與網格劃分

三分螺折流板和弓形折流板立式冷凝器結構如圖1所示，冷凝器主要由圓筒形殼體、換熱管束、折流板和管殼程流體進、出口接管組成?？紤]到蒸汽的體積流量隨著凝結過程而逐漸變小，螺旋折流板冷凝器和弓形折流板冷凝器均采用截面積分段逐漸變小的結構。螺旋折流板采用三種傾斜角度，弓形折流板采用三種間距。螺旋折流板采用單頭和雙頭兩種方案，單頭螺旋折流板冷凝器中三段的傾斜角依次為35°、25°和15°；雙頭螺旋折流板換熱器是在單頭螺旋折流板換熱器的基礎上，將螺距較大的35°和25°傾斜角折流板段布置為雙頭螺旋折流板，而螺距較小的15°傾斜角折流板段仍為單頭。折流板結構如圖2所示，在折流板下游邊設置折彎擋液堰，在折流板的弧段設置疏液缺口，可有效減薄傳熱管壁外液膜厚度，提高換熱系數，并及時將從管束表面流下的凝結液沿殼體內壁流到換熱器底部。表1和表2分別為三分螺旋折流板冷凝器和弓形折流板冷凝器參數表和折流板布置方案表。

圖1　立式冷凝器結構示意圖

圖2　折流板結構圖

表1　三分螺旋折流板冷凝器參數表

表2　變角度三分螺旋折流板方案冷凝器的折流板布置方案

采用Gambit軟件建立立式三分螺旋折流板與弓形折流板三維模型并劃分網格。圖3為變角度傾斜角三分螺旋折流板方案的網格圖，換熱管處采用加密處理，經過網格獨立性檢驗，確定網格數量約為250萬。

圖3　三分螺旋折流板網格圖

1.2 控制方程

考慮到本模型蒸汽相與液相速度不同且速度分布差異較大的特點，選用Fluent多相流模型中的混合(Mixture)模型進行模擬分析?；旌夏Ｐ褪且环N簡化的多相流模型，用于模擬各相有速度不同的多相流，通過假定多相流在短空間尺度上局部平衡的方法，來增強相間的耦合性?；旌夏Ｐ涂梢酝ㄟ^建立兩相和混合相的連續(xù)性、動量和能量方程，相對速度方程，以及第二相(液相)的體積分數方程等關系式來模擬兩相流動。其連續(xù)性方程、動量方程和能量方程等守恒方程[11-12]如下：

式中：

αk——第k相的體積分數；

n——相數；

S→Mk、SEm——質量源項和能量源項；

Ek——相間傳遞能量；

ρk——第k相密度；

ρm——混合密度；

μm——混合粘性；

λ——有效熱傳導率；

keff——有效→熱傳導率。

ρm、μm、分別由體積分量加權平均獲得：

不可壓縮相相間傳遞能量Ek= hk，這里hk是顯熱焓值。可壓縮相的相間傳遞能量計算公式為：相對速度（也指滑流速度）被定義為液相c的速度相對于汽相v的速度：

液相的體積分數方程：

式中：

凝結模型中的特點是汽相質量隨凝結而減小，放出凝結熱后，產生相應質量的凝結液。本文采用質量與能量源項來描述傳熱傳質過程，液相、汽相的質量源項和混合相的能量源項分別為：

其中ΔH為凝結焓。

1.3 邊界條件和計算設置

邊界條件的設置主要有冷熱流體的入口、出口、外殼壁面、折流板以及換熱管壁面。定義冷、熱流體的入口為速度入口條件，給定入口速度以及相應的溫度條件和湍流值；定義出口處為自由出流條件；外殼壁面和折流板定義為不可滲透、絕熱邊界條件；換熱管壁面定義為與管內冷水換熱的耦合邊界條件；蒸汽定義為主相，水為輔相，并在蒸汽相中導入蒸汽質量源項，水相中導入液體質量源項，蒸汽混合相中導入能量源項。由于湍流效應對流動與傳熱的影響造成計算結果的收斂不穩(wěn)定。因此，本文模擬采用對旋轉流具有針對性的RNG κ-ε湍流模型。本模型采用分離求解器及非穩(wěn)態(tài)隱式格式的計算方法；壓力和速度耦合采用基于交錯網格的SIMPLE算法，動量、能量以及湍流參量的求解采用二階迎風格式。定義動量方程迭代收斂的條件為方程中各變量平均殘差絕對值小于10-4；能量方程迭代收斂的條件為方程中各變量平均殘差絕對值小于10-7。

2 模擬結果與分析

圖4顯示了蒸汽在變角度單、雙頭三分螺旋折流板與弓形折流板立式冷凝器內由第一段流至第二段的速度矢量疊加圖。由圖4(a)、圖4(b)顯示的主視圖可見在三分螺旋折流板冷凝器內蒸汽在螺旋折流板的作用下呈螺旋流動。在折流板背面單頭方案有明顯的低速區(qū)域，而雙頭方案由于折流板布置較密集使周期內大部分蒸汽呈現(xiàn)較好的螺旋流動。由圖4(c)顯示的子午面切片圖中可見在弓形折流板冷凝器內蒸汽呈近似“Z”字形流動，且在折流板缺口處速度矢量分布較密集，而在折流板背流區(qū)較稀疏。蒸汽主流穿過缺口處后，在慣性作用下以較高速度撞擊下一塊折流板，然后貼著折流板上表面轉為橫向沖刷，主流向下穿過下一個缺口，小股流體向上形成回流，在折流板的背面形成流動死區(qū)，如此呈周期性分布。

圖5顯示了蒸汽在變角度單、雙頭三分螺旋折流板與弓形折流板立式冷凝器內的壓力分布圖(橫切片壓力分布截取距頂部0.31 m處的數據)。由圖可見，在三分螺旋折流板方案與弓形折流板方案中蒸汽壓力均沿豎直方向逐漸降低，但弓形折流板方案壓降比三分螺旋折流板方案大得多。雙頭方案由于折流板較多，其壓降比單頭方案略大。在三分螺旋折流板方案中，由于流體在折流板形成的螺旋通道內流動時會受到離心力的作用，中心部分的流體在離心力的驅動下不斷的向外圍流動，因此會造成壓力分布呈現(xiàn)外圍高、中心低。

圖4　蒸汽速度云圖和速度矢量疊加圖

圖5　壓力分布圖（橫切片位置：0.31 m）

圖6顯示了單、雙頭三分螺旋折流板與弓形折流板立式冷凝器內凝結液體積分數分布沿程主視圖和中間段局部子午面切片圖?？傮w可見，單、雙頭三分螺旋折流板方案下部的凝結液體積分數比弓形折流板方案的高得多，反映其優(yōu)良的凝結強化性能。由中間段的局部放大圖可見，三分螺旋折流板方案中管束上被折流板刮下的凝結液沿折流板傾斜流下，堆積在折流板擋液堰處，沿擋液堰流至殼體內壁，再穿過疏液缺口沿殼體內壁流下，從而使凝結液排泄過程連續(xù)快速進行。由于雙頭螺旋折流板方案的折流板螺距更短，凝結液膜較薄，其凝結效果更好。圖中亦可看出三分螺旋折流板方案兩折流板之間的殼體壁面上有凝結液區(qū)，可見，設有疏液缺口與擋液堰的傾斜折流板能夠有效排液，促進強化傳熱。相反弓形折流板方案由于水平布置的弓形折流板不能將凝結液及時排泄，使凝結液在折流板表面堆積，并被高速流過的主流蒸汽夾帶或沿傳熱管子流下，而沿殼體內壁幾乎沒有凝結液流下。

圖6　凝結液體積分數分布圖（放大圖位置：0.5 m～0.6 m）

圖7顯示了蒸汽在變角度單、雙頭三分螺旋折流板與弓形折流板立式冷凝器內子午面上5根管子表面局部換熱系數分布圖（螺旋折流板方案的截面位于0.3 m～0.5 m處，弓形折流板方案位于0.3 m～0.5 m處）。由圖可見，雙頭三分螺旋折流板方案換熱系數的平均值較高，而單頭方案的一個螺旋周期中的上半部分的局部換熱系數與雙頭方案雖然相近，但其下半部分的數值則較低。主要由于雙頭折流板使兩折流板之間的換熱管變短，改善了單頭方案周期下部換熱較差的缺陷。在弓形折流板立式冷凝器中也可看出折流板背面由于大部分凝結液被折流板刮除，使其折流板下部局部換熱系數較高。但總體上其局部換熱系數還是比螺旋折流板方案低得多。雙頭和單頭三分螺旋折流板方案的平均換熱系數可比弓形折流板方案分別提高35.7％和22.4％。

圖7　子午面上五根管子表面的局部換熱系數分布圖（截面位置：0.3 m～0.5 m）

3 結論

采用Fluent軟件中Mixture多相模型模擬了三分螺旋折流板立式冷凝器變傾斜角單、雙頭方案的殼側蒸汽速度、壓力、凝結水體積分數和局部換熱系數分布情況，并將其與弓形折流板方案進行對比分析，得出以下結論。

1）三分螺旋折流板立式冷凝器內蒸汽沿折流板通道呈螺旋流動，能夠加強流體沖刷管壁表面，減小液膜厚度，傾斜角度分段逐漸減小的折流板能夠有效彌補因凝結過程蒸汽體積流量的減小而造成的流速下降；將折流板的下游邊折彎成擋液堰和在折流板弧段設置疏液缺口能夠引導凝結液流至殼體內壁，避免被蒸汽夾帶，有效排液，從而增強殼側管束上的凝結換熱。雙頭和單頭三分螺旋折流板立式冷凝器方案的平均換熱系數可比弓形折流板方案分別提高35.7％和22.4％。

2）三分螺旋折流板凝結立式冷凝器由于蒸汽流動均勻，流動阻力較小，殼側壓力降明顯低于弓形折流板立式冷凝器方案。其中雙頭螺旋折流板方案因增加了折流板的摩擦較單頭螺旋折流板方案的流阻略大。

三分螺旋折流板立式冷凝器的綜合換熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的弓形折流板立式冷凝器，為在發(fā)電廠中推廣立式給水加熱器開拓了新的思路。

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Numerical Simulation of Flow Pattern and Heat Transfer Characteristics of Refrigerant in Vertical Condenser with Helical Baffles

GUO Ya*,LIN Li,CHEN Ya-ping,WU Jia-feng
(School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 210096)

[Abstract]The condensation heat transfer characteristics of the vertical condensers with variable angled trisection helical baffles with single or double thread and with a variable spanned segmental baffle were numerically studied and compared.The physical models of the trisection helical baffle condensers and the segmental baffle one were developed.The distributions of the velocity and pressure of vapor and the volumes of fraction of condensate in these heat exchangers were simulated with the mixing module of Fluent software.The simulation results show that,the variable angled trisection helical baffle vertical condenser with double-threads could significantly improve the condensation heat transfer coefficient,and the average shell-side heat transfer coefficient of the vertical condenser with dual-thread variable angled trisection helical baffles is 35.7％ higher than that of the variable spanned segmental baffled one.The liquid dam plus drainage gaps on each inclined baffle plate could drain condensate effectively and prevent liquid film entrainment into vapor,thus it overcomes the limitation of the conventional vertical condensers which could not drain condensate effectively with horizontal segmental baffles.

[Keywords]Vertical condensers; Trisection helical baffles; Liquid dam; Drainage gaps; Condensation

基金項目：國家自然科學基金項目（No.51276035、51206022）；江蘇省科技創(chuàng)新與成果轉化專項引導資金項目（No.BY2011155）。

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.108