具有新型支撐結(jié)構(gòu)換熱器的工作特性與分析

謝　果，高秀志，牛寧海

0　概述

換熱器是電站輔機(jī)設(shè)備中重要的組成部分，其換熱性能對(duì)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率有著十分重要的影響。在電站輔機(jī)設(shè)備中，按照功能區(qū)分，換熱器大致可分為高壓、低壓給水加熱器、給水除氧器、凝汽器、閉式水水換熱器、汽封加熱器、滑油冷卻器等［1-2］。在有關(guān)換熱器的換熱性能、運(yùn)行穩(wěn)定性及制造工藝方面的研究中，有許多文獻(xiàn)提供了可用于工程設(shè)計(jì)的寶貴數(shù)據(jù)［3-7］。其中，縱流殼程換熱器是采用新型支撐結(jié)構(gòu)的換熱器，其管束的新型支撐替代了傳統(tǒng)的折流板結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)殼程介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中的小范圍擾動(dòng)，因此，提高了換熱器殼程的換熱系數(shù)，并減小了殼程壓降。

1　殼程縱流換熱器

在國(guó)外，對(duì)于殼程縱流換熱器的研究較早。在20世紀(jì)70年代，美國(guó)某石油公司就推出了折流桿式殼程縱流換熱器，具有優(yōu)良的傳熱性能和水力性能。此后，世界各國(guó)對(duì)該類(lèi)型換熱器展開(kāi)了進(jìn)一步研究。我國(guó)于20世紀(jì)80年代初，也開(kāi)始了該方面的研究，包括繞流管的布置對(duì)流場(chǎng)及換熱性能的影響、殼程近壁區(qū)域流動(dòng)換熱特性、條帶支撐結(jié)構(gòu)換熱器的工作性能等［8-11］。

現(xiàn)以調(diào)研多種縱流殼程換熱器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種具有新型支撐結(jié)構(gòu)的縱流殼程換熱器的設(shè)計(jì)方案。該換熱器結(jié)構(gòu)與常規(guī)的折流桿換熱器相比，其制造加工工藝較為簡(jiǎn)單，成本更加低廉，在應(yīng)用上具有一定的潛力。為此，采用FLUENT軟件，對(duì)具有不同導(dǎo)流頭支撐結(jié)構(gòu)的換熱單元進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)導(dǎo)流頭前后錐角的變化，研究了不同錐角對(duì)換熱單元傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力的影響，為縱流殼程換熱器的工程運(yùn)用，提供參考。

2　工作原理

具有導(dǎo)流頭支撐結(jié)構(gòu)的縱流殼程換熱器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　具有新型導(dǎo)流頭支撐結(jié)構(gòu)的換熱器

殼側(cè)介質(zhì)經(jīng)外導(dǎo)流筒進(jìn)入換熱管系區(qū)域后，沿軸向方向流動(dòng)。由于在換熱管間均布置有導(dǎo)流頭，介質(zhì)流經(jīng)導(dǎo)流頭阻塞區(qū)域時(shí)，會(huì)伴隨有周期性的加速和減速，形成射流擾動(dòng)，從而大幅提高管系殼側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。此外，該導(dǎo)流頭與換熱管緊密貼合，因此，在換熱管的中間區(qū)域形成了有效支撐。該型換熱器核心零部件的制造難度較低，安裝方便。在設(shè)計(jì)上，不用過(guò)多考慮管系與殼體的裝配間隙，從而降低了制造及加工成本。

3　CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)

縱流換熱器的導(dǎo)流頭，是該換熱器的核心零件。導(dǎo)流頭的主要作用有兩點(diǎn)，其一，是對(duì)管系進(jìn)行支撐。其二，對(duì)殼程流體具有阻流作用，使殼程流體產(chǎn)生局部擾動(dòng)，提高了殼程介質(zhì)整體的換熱系數(shù)。殼程流體經(jīng)導(dǎo)流頭作用后，其尾部產(chǎn)生的脫渦現(xiàn)象，對(duì)殼程介質(zhì)的換熱具有重要影響。對(duì)換熱的影響程度，由導(dǎo)流頭前、后錐面角度的大小及流道尺寸等因素決定。利用CFD流體計(jì)算軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，取換熱管的外徑為16 mm，換熱管的橋距為20 mm，導(dǎo)流頭的阻流外徑為 11.2 mm，芯桿直徑為 6 mm，僅考慮導(dǎo)流頭錐面角度對(duì)尾部脫渦流體的影響。根據(jù)不同角度的導(dǎo)流頭，計(jì)算縱流換熱器的換熱效率及流動(dòng)阻力。

3.1　計(jì)算區(qū)域的物理模型

在模擬計(jì)算中，以3×3阻流元件為計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算，以便觀察完整的阻流單元尾部脫渦形態(tài)。流動(dòng)換熱仿真計(jì)算的模型，如圖2所示。模型中，包含9個(gè)導(dǎo)流頭，對(duì)應(yīng)了9組冷卻管外壁換熱面。計(jì)算模型長(zhǎng)度為150 mm，導(dǎo)流頭外部支撐面的寬度為16 mm，導(dǎo)流頭距進(jìn)口端面為50 mm?？倱Q熱面積為0.068 m2。

圖2　流動(dòng)換熱仿真計(jì)算模型

3.2　模擬計(jì)算及結(jié)果分析

建模后進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，將殼程與管程的介質(zhì)定義為水，換熱壁面為不銹鋼。殼程介質(zhì)的進(jìn)口溫度為35℃，流速為0.5 m/s，不銹鋼換熱表面的溫度為65℃。在計(jì)算過(guò)程中，忽略污垢系數(shù)對(duì)換熱效率的影響。

3.2.1計(jì)算結(jié)果(錐面角均為45度)

計(jì)算所得的截面壓力云圖，如圖3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，單個(gè)導(dǎo)流頭及150 mm流程內(nèi)的介質(zhì)壓降，為620 Pa，壓降主要集中在導(dǎo)流頭前部入口段。

圖3　X=0截面上的壓力云圖

計(jì)算所得的截面速度云圖，如圖4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，殼程介質(zhì)經(jīng)縮口流道后，流體被加速，最大流速為 1.13 m/s。提速比為2.26(最大流速/入口流速)。此外，據(jù)圖4可知，由于導(dǎo)流頭的存在，使流體在流經(jīng)縮放口的過(guò)程中，形成了很好的引射流作用，強(qiáng)化了流體的擾動(dòng)過(guò)程。

圖4　Y=0、Z=50 mm截面上的速度云圖

計(jì)算區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)的速度矢量分布圖，如圖5所示。由圖5可知，在導(dǎo)流頭引射流作用下，殼程流體在很大區(qū)域內(nèi)都存在強(qiáng)烈擾動(dòng)，因此，該擾流設(shè)計(jì)是可行的。統(tǒng)計(jì)了最終計(jì)算結(jié)果后，得到換熱壁面的總體換熱功率為8 354 W，換熱壁面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 h=Q/(△T×A)=8 354/(57.5×0.068)=4 273.1 W/(℃·m2)。

圖5　計(jì)算區(qū)域的速度矢量圖

3.2.2不同錐角對(duì)換熱性能的影響

分別按不同的導(dǎo)流頭角度，計(jì)算區(qū)域內(nèi)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。計(jì)算所得的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，如表1所示。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨前后錐角變化的曲面圖，如圖6所示。由計(jì)算可知，當(dāng)導(dǎo)流頭的角度不同時(shí)，區(qū)域內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為4 200～4 400 W/(℃·m2)，變化的浮動(dòng)范圍，約為±2%。同樣，據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，隨前后錐角角度的增大，換熱系數(shù)也在增加。因?yàn)榍昂箦F角的增大，將加劇流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的紊流強(qiáng)度，削弱流體換熱邊界層的厚度，從而提高了換熱系數(shù)。然而，換熱系數(shù)隨錐角的變化，并不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，增大前后錐角的同時(shí)，雖然會(huì)增強(qiáng)局部區(qū)域的換熱，但也會(huì)使出口射流的影響區(qū)域變小。由圖6可知，在曲面中間位置，存在一條曲線(xiàn)(拐點(diǎn)連線(xiàn))。在曲線(xiàn)之后，換熱系數(shù)隨前后錐角的增大而提高的趨勢(shì)開(kāi)始變緩。

表1　不同導(dǎo)流頭錐角對(duì)應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)單位:W/(℃·m2)

圖6　表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨前后錐角變化的曲面圖

3.2.3不同錐角對(duì)流動(dòng)性的影響

評(píng)估換熱器性能的優(yōu)劣，除了傳熱性能之外，還包括了介質(zhì)在換熱器中的流動(dòng)性，即壓降。在模擬計(jì)算中，換熱器繞流支撐元件的間距，取150 mm。在工程中，只需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果乘以換熱器的布置單元個(gè)數(shù)，即可得換熱器的整體壓降。據(jù)表2可得，單元的壓降均為500～700 Pa，變化浮動(dòng)的范圍，約為±20%。相比于錐角對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響，錐角對(duì)壓降的影響更明顯。區(qū)域內(nèi)壓降隨前后錐角變化的曲面圖，如圖7所示。由圖7可知，區(qū)域內(nèi)的壓降，隨前后錐角的變化整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，前錐角與壓降有著相應(yīng)的變化規(guī)律。前錐角增大，使導(dǎo)流頭的阻流系數(shù)增加，從而導(dǎo)致了壓降增大。后錐角對(duì)壓降的影響，不如前錐角的影響那么明顯。在前錐角相等的條件下，壓降通常隨后錐角增加而先增大再減小。后錐角對(duì)壓降的影響，可結(jié)合數(shù)據(jù)及圖4可知，當(dāng)后錐角較小時(shí)，脫渦流體的流動(dòng)較為平緩，擾動(dòng)強(qiáng)度小，擾動(dòng)區(qū)域大;當(dāng)后錐角較大時(shí)，脫渦現(xiàn)象較為劇烈，擾動(dòng)強(qiáng)度大，但擾動(dòng)區(qū)域小。因此，壓降與后錐角之間的關(guān)系，也不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。

表2　不同導(dǎo)流頭錐角對(duì)應(yīng)的壓降　單位:Pa

圖7　區(qū)域壓降隨前后錐角變化的曲面圖

4　結(jié)語(yǔ)

采用新型支撐結(jié)構(gòu)的縱流殼程換熱器，具有良好的換熱性能。依據(jù)數(shù)值模型，對(duì)計(jì)算單元內(nèi)的換熱量進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究了該換熱器殼側(cè)介質(zhì)的流動(dòng)特性及溫度分布狀態(tài)。經(jīng)分析后認(rèn)為，縱流殼程換熱器具有幾個(gè)方面的特性。

(1)新型縱流殼程換熱器，是通過(guò)導(dǎo)流頭使流經(jīng)介質(zhì)形成周期性引射流，從而強(qiáng)化了換熱。

(2)換熱器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及壓降，均隨前后導(dǎo)流頭錐角的增加而變大。

(3)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及壓降，隨錐角的大小而變化，但在計(jì)算結(jié)果的曲面中間區(qū)域，出現(xiàn)了數(shù)值變化減緩的趨勢(shì)。因此，經(jīng)綜合考慮，取前錐角為45°，后錐角為60°，是比較理想導(dǎo)流頭的設(shè)計(jì)值。既可確保區(qū)域內(nèi)的換熱效率，還不會(huì)有較大的壓降。

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