高壓熱交換器防沖擋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化①

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(1.青島暢隆電力設(shè)備有限公司，山東 青島 266700；2.青島科技大學(xué)，山東 青島 266061；3.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；4.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)壓力處于10～100 MPa的高壓熱交換器得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。高壓熱交換器殼程工作介質(zhì)一般為水蒸氣，其具有高溫、高壓、高流速的特點(diǎn)。在不添加任何輔助裝置條件下，水蒸氣不僅會(huì)對(duì)換熱管和管板造成嚴(yán)重的沖刷腐蝕，還會(huì)導(dǎo)致高壓熱交換器產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)[4-7]。而防沖擋板降低了流體對(duì)換熱管的沖擊力，避免水蒸氣對(duì)換熱管的直接沖蝕[8-9]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，水蒸氣的強(qiáng)大沖擊力會(huì)使防沖擋板出現(xiàn)脫落，砸漏換熱管，使高壓熱交換器無(wú)法正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致高壓熱交換器報(bào)廢[10-13]。

鐘曉峰等[14]設(shè)計(jì)了一種鈦制熱交換器防沖擋板結(jié)構(gòu)，可有效阻止液體對(duì)換熱管束的沖擊，但是該結(jié)構(gòu)的工作時(shí)間不長(zhǎng)，需要頻繁更換。吳洋寬等[15]設(shè)計(jì)了一種弧型防沖擋板，通過(guò)將圓形平板向上彎曲，不改變介質(zhì)流通面積，提高防沖擋板抗沖擊力的剛度，使防沖擋板所受沖擊力在隨著壓力波動(dòng)不斷發(fā)生變化時(shí)，防沖擋板的抖動(dòng)幅度降低。但是該技術(shù)方案缺乏精確的數(shù)值計(jì)算論證。

目前的防沖擋板經(jīng)過(guò)改進(jìn)雖然解決了部分問(wèn)題，但是相應(yīng)的技術(shù)方案仍然存在著工作時(shí)間短和缺乏精確的數(shù)值論證計(jì)算等問(wèn)題。為解決高壓熱交換器內(nèi)的防沖擋板防沖能力弱、易脫落等問(wèn)題，筆者研究了一種高壓熱交換器雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)，利用FLUENT軟件詳細(xì)計(jì)算防沖擋板附近的流場(chǎng)，并與圓孔型防沖擋板、圓弧型防沖擋板數(shù)值求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析改進(jìn)后高壓熱交換器雙層防沖擋板的效果。

1 高壓熱交換器防沖擋板結(jié)構(gòu)模型建立

1.1 物理模型

建立的高壓熱交換器雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)物理模型見(jiàn)圖1。文中主要以雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)圓孔型防沖擋板結(jié)構(gòu)和圓弧型防沖擋板結(jié)構(gòu)采用相同的數(shù)值計(jì)算方法。

1.殼體 2.接管 3.十字固定架 4.筋板 5.上層防沖擋板 6.下層防沖擋板 7.換熱管圖1 高壓熱交換器雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)

利用三維設(shè)計(jì)軟件Solid Works建立了3種類型防沖擋板結(jié)構(gòu)的三維模型，見(jiàn)圖2。

圖2 3種類型防沖擋板結(jié)構(gòu)三維模型

圓孔型防沖擋板主要由雙層防沖擋板的十字固定架與上層防沖擋板組成，圓弧型防沖擋板主要由十字固定架、筋板以及向上彎曲的圓平板組成。圓孔型防沖擋板結(jié)構(gòu)和圓弧型防沖擋板結(jié)構(gòu)的其余參數(shù)與雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)的一致。

1.2 網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性驗(yàn)證

防沖擋板物理模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，利用網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD16.0，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[16]。為了獲得較高的計(jì)算精度，對(duì)防沖擋板部分網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。得到的高壓熱交換器雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)網(wǎng)格分布圖見(jiàn)圖3。

圖3 高壓熱交換器雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)網(wǎng)格分布圖

由于模型較多，不便對(duì)所有的模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，因此選擇了高壓熱交換器雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行本文的網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。采取網(wǎng)格數(shù)量分別為634 504、834 056、1 048 923、1 215 893的模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從1 048 923增加到1 215 893時(shí)，計(jì)算結(jié)果幾乎不變。基于網(wǎng)格獨(dú)立性分析和計(jì)算時(shí)間的評(píng)判條件，選取1 215 893網(wǎng)格數(shù)量作為模型的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 數(shù)值求解設(shè)置

利用 ANSYS FLUENT 16.0對(duì)防沖擋板附近水蒸氣的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。數(shù)值求解基于壓力基求解器，湍流模型采用RNGk-ε模型，壓力和速度耦合方式采用SIMPLE格式，控制方程的離散采用二階迎風(fēng)格式。為保證求解精度，收斂標(biāo)準(zhǔn)殘差設(shè)置為10-5。防沖擋板模型的入口邊界條件為速度入口，并設(shè)置入口速度、靜壓、溫度、湍流強(qiáng)度和水力半徑，出口邊界條件為outflow出口，模型壁面的邊界為無(wú)滑移、恒溫壁面。

描述k-ε模型的湍動(dòng)能k和湍流耗散ε的輸運(yùn)公式[17-18]分別如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中，t為時(shí)間，s；ρ為流體密度，kg/m3；ui為流體速度，m/s；μ為動(dòng)力黏度，μt為湍流黏度，Pa·s；k為湍動(dòng)能；ε為耗散率；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流能項(xiàng)；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為湍流脈動(dòng)膨脹到全局流程中對(duì)耗散率的貢獻(xiàn)項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為常量；σk、σε為k方程和ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk、Sε為用戶定義湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)；xi、xj分別為i、j方向的坐標(biāo)。

2 高壓熱交換器防沖擋板結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

2.1 流速分布云圖

分別對(duì)高壓熱交換器雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)、圓孔型防沖擋板結(jié)構(gòu)和圓弧型防沖擋板結(jié)構(gòu)的速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析水蒸氣在這3種類型防沖擋板的流速分布情況。在其他條件一致的情況下，介質(zhì)流速能夠反映出殼程介質(zhì)對(duì)防沖擋板以及換熱管的沖擊情況。一般來(lái)說(shuō)，介質(zhì)流速越大，沖擊作用越大，反之，沖擊作用小，防沖效果越好。

計(jì)算得到的高壓熱交換器雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)、圓孔型防沖擋板結(jié)構(gòu)和圓弧型防沖擋板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)分布云圖分別見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布云圖

圖5 圓孔型防沖擋板結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布云圖

圖6 圓弧型防沖擋板結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布云圖

對(duì)比圖4～圖6可以發(fā)現(xiàn)，采用弧形板結(jié)構(gòu)的雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)和圓弧型防沖擋板結(jié)構(gòu)改變了流體流動(dòng)方向，避免了出口處流體直接沿著軸向沖擊換熱管，有效保護(hù)了換熱管。圓孔型防沖擋板結(jié)構(gòu)采用的圓孔扇形板雖然降低了換熱管附近的流體流速，減輕了流體對(duì)換熱管的沖擊，但在高速、高壓情況下，圓孔扇形板所受的沖擊力將更大，對(duì)換熱管的沖擊力也將更大，其防沖能力將不如雙層防沖擋板和圓弧型防沖擋板。

對(duì)比圖4和圖6可知，通過(guò)改變流體流向，均可獲得很好的防沖效果，達(dá)到保護(hù)換熱管的目的。但是圓弧型防沖擋板上方中心部位高速流體的沖擊壓力較大，這將對(duì)防沖擋板中間部位產(chǎn)生極大沖擊并引發(fā)振動(dòng)，加速防沖擋板脫落。而雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)采用的上層防沖擋板則減緩了高速流體對(duì)防沖擋板中間部位的沖擊，可以改善自身受力情況，增強(qiáng)防脫落效果。

2.2 防沖擋板附近流速

從數(shù)值計(jì)算結(jié)果中獲取了沿接管中心軸向的流體速度數(shù)據(jù)，并利用origin處理數(shù)據(jù)得到速度曲線，以分析3種類型防沖擋板中心部位流速分布情況，比較防沖擋板防脫落效果。

3種類型防沖擋板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的速度曲線分別見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 雙層防沖擋板結(jié)構(gòu)速度曲線

圖8 圓孔型防沖擋板結(jié)構(gòu)速度曲線

圖9 圓弧型防沖擋板結(jié)構(gòu)速度曲線

對(duì)比分析圖7～圖9的速度曲線，沿著接管中心軸向方向上，當(dāng)水蒸氣以7 m/s的速度經(jīng)過(guò)3種不同類型防沖擋板結(jié)構(gòu)時(shí)，速度均得到了降低，但是在防沖擋板中心附近速度降低的程度有所不同。取距離防沖擋板上表面10 mm范圍的速度平均值作為防沖擋板附近水蒸氣流速，計(jì)算得到圓弧型防沖擋板、圓孔型防沖擋板、雙層防沖擋板的速度均值分別為2.651 6 m/s、2.283 0 m/s、1.393 3 m/s。由此可以得出，在防脫落效果上，雙層防沖擋板優(yōu)于圓孔型防沖擋板，圓孔型防沖擋板優(yōu)于圓弧型防沖擋板。

在保護(hù)換熱管方面，雙層防沖擋板和圓弧型防沖擋板可以通過(guò)自身的弧形板改變流體流動(dòng)方向，避免流體對(duì)換熱管的直接沖擊，相比圓孔型防沖擋板能夠更好地保護(hù)換熱管。而在防脫落效果上，通過(guò)比較防沖擋板附近流速，認(rèn)為雙層防沖擋板防脫落效果要優(yōu)于圓弧型防沖擋板。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種高壓熱交換器雙層防沖擋板新結(jié)構(gòu)，并且模擬了3種不同類型防沖擋板附近的流場(chǎng)，通過(guò)分析流速云圖和模擬的速度數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論。

(1)3種不同結(jié)構(gòu)的防沖擋板均能起到對(duì)換熱管的防沖作用，但是防沖機(jī)理不同。雙層防沖擋板和圓弧型防沖擋板是通過(guò)改變介質(zhì)流動(dòng)方向和降低介質(zhì)流動(dòng)速度來(lái)達(dá)到防沖效果，而圓孔型防沖擋板主要是通過(guò)降低介質(zhì)的流動(dòng)速度來(lái)減小沖擊。雙層防沖擋板和圓弧型防沖擋板的防沖能力要優(yōu)于圓孔型防沖擋板。

(2)在其他條件一致的情況下，雙層防沖擋板的防脫落能力最強(qiáng)，圓孔型防沖擋板次之，圓弧型防沖擋板最弱。高壓熱交換器雙層防沖擋板不僅防沖能力強(qiáng)，能夠有效保護(hù)換熱管，而且有效工作時(shí)間更長(zhǎng)，無(wú)需頻繁更換。