折流圈結(jié)構(gòu)對折流桿換熱器殼程的性能仿真與優(yōu)化研究

張秀香，胡崇舉，牛曉飛，李 強

宿州學(xué)院 1.機械與電子工程學(xué)院；2.化學(xué)化工學(xué)院，安徽宿州,234000

折流桿換熱器相對于傳統(tǒng)折流板換熱器具有抗振能力好，傳熱綜合性能優(yōu)良等特點[1,2]，廣泛應(yīng)用在化工、煉油、制藥和其他新能源行業(yè)。折流桿換熱器采用折流柵代替折流板，使得流體主流流動由橫向流變成沿著換熱管方向的縱向流動，從而有效地降低了流體誘導(dǎo)振動[3-6]。自20世紀(jì)70年代美國菲利普石油公司成功開發(fā)出折流桿換熱器以來，國內(nèi)許多學(xué)者對折流桿換熱器進(jìn)行了大量的研究。在理論方面，董其伍通過實驗的方法分別提出了殼程流動與傳熱的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式[7]；在強化傳熱研究方面，嚴(yán)文良對三角形布管方式的波形折流桿進(jìn)行了工業(yè)實驗研究，探討了其傳熱性能和殼程流體阻力特性，并提出了對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式[8]。王雙英等采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同折流桿類型的折流桿換熱器流動與傳熱的影響，得出了在綜合性能上圓桿要優(yōu)于方桿的結(jié)果[9]。王新婷等提出一種新型波形折流桿換熱器，該換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，當(dāng)采用水為介質(zhì)時，與直桿換熱器對比，綜合性能提升近10%[10]。以上學(xué)者對折流桿換熱器的強化傳熱的研究主要集中在對折流桿和開發(fā)高效換熱管的研究上，而作為擾流的另一重要結(jié)構(gòu)折流圈的研究較少。本文采用CFD軟件Fluent通過“分段建模、分段分網(wǎng)、分段模擬、最后綜合”[11-13]的數(shù)值模擬研究思路對不同殼體直徑，不同折流圈寬度與殼體內(nèi)徑比的折流桿換熱器進(jìn)行了仿真研究，得出了最佳折流圈寬度與殼體內(nèi)徑比，為折流圈的設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)作用。

1 折流桿換熱器模型建立

本次折流桿換熱器采用全模型的方式，由于本次研究只限于殼程，管程流體忽略，直接在管內(nèi)壁加載固壁溫度，管箱忽略。折流桿換熱器按照流體縱向流動特性，可以分成布管限定圓內(nèi)部的縱流，折流圈內(nèi)徑到外徑的旁流，和折流圈外徑到殼體內(nèi)徑的間隙流。由于間隙較小，間隙流對殼體流動與傳熱影響較小，忽略間隙流。表1所示為幾何模型主要結(jié)構(gòu)尺寸。

表1 幾何模型主要結(jié)構(gòu)尺寸

(續(xù)表)

其中X表示布管限定圓半徑，L表示折流圈寬度。其他參數(shù)包括換熱管規(guī)格∮12 mm×2 mm，折流柵數(shù)目24塊，折流桿直徑∮2 mm，管程為飽和水蒸氣，殼程為水。由于折流桿換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本文將折流桿換熱器分成入口段，六個折流柵段和出口段。以X(41)為例，圖1為不同折流圈寬度折流柵處斷面圖。

圖1 折流柵斷面圖

2 折流桿換熱器計算與仿真

2.1 折流桿換熱器計算模型

由于折流桿換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了盡量將所有結(jié)構(gòu)保留，采取分段建模和分段劃網(wǎng)的方式。圖2為折流桿換熱器的導(dǎo)流筒段和折流柵段網(wǎng)格劃分模型。

圖2 折流桿換熱器網(wǎng)格劃分模型

為簡化計算分別對兩段結(jié)構(gòu)做如下假設(shè)：(1)由于管程為高溫飽和水蒸氣，且只關(guān)心殼程流動與傳熱，將內(nèi)管壁溫度設(shè)為定值；(2)殼程冷卻水為不可壓縮連續(xù)流體，各向同性；(3)忽略重力影響；(4)流體的物性參數(shù)ρ、μ、cp、λ等，為了盡量考慮溫度對其的影響，在仿真實驗的溫度范圍內(nèi)，將其看成為溫度的線性函數(shù)，簡化后導(dǎo)流筒段和折流柵段控制方程為：

(1)

運動方程：

x方向: (u·)p+υ2u

(2)

y方向:(v·)p+υ2v

(3)

z方向: (w·)p+υ2w

(4)

能量方程：

(5)

為了提高湍流計算精度，近壁面與遠(yuǎn)壁面采取不同湍流控制方程，其中近壁面方程如下：

(6)

(7)

(8)

k=0

遠(yuǎn)壁面采用方程如下：

(9)

(10)

(11)

其中取σε=1.3，cε1=1.41～1.45，cε2=1.9～1.92。

2.2 折流桿換熱器邊界條件設(shè)定

2.2.1 單獨段內(nèi)部邊界條件設(shè)定

導(dǎo)流筒或折流柵入口采取速度邊界條件，湍流強度采用水力直徑和湍流強度進(jìn)行衡量，其中湍流強度對于不同Re采用下式計算：

(12)

換熱管內(nèi)壁采用固壁溫度，設(shè)定為373 K；流體與固體交界面采用耦合邊界條件；流體出口采用壓力出口邊界條件，殼體外壁面采用自然對流邊界條件，其對流傳熱系數(shù)設(shè)為10；管子出口設(shè)為絕熱邊界條件。

2.2.2 段與段之間連接邊界條件設(shè)定

上下兩段之間的連接采取上一段出口的速度、溫度、湍動能、耗散和比耗散率與下一段折流柵入口相等，保證工藝參數(shù)的無縫連接，相互關(guān)系如下：

w上段出口=w下段入口v上段出口=v下段入口T上段出口=T下段入口k上段出口=k下段入口

ω上段出口=ω下段入口u上段出口=u下段入口ε上段出口=ε下段入口

3 求解結(jié)果分析

3.1 殼程流體流動與傳熱流場分析

圖3為不同折流圈寬度折流柵溫度云圖，分別給出了當(dāng)入口速度為0.5 m/s時，X(41)L(0)、X(41)L(2)、X(41)L(5)及X(41)L(10)折流柵第一段對稱面溫度云圖。

圖3 折流柵溫度云圖

折流柵溫度云圖可以看出，隨著折流圈寬度的增加，折流圈所在的旁流流路溫度不斷升高。圖3(a)為沒有折流圈的對稱面云圖，其殼體內(nèi)徑附近溫度基本沒有升高，圖3(b)為折流圈寬度為2 mm，其左右兩端及下方溫度明顯高于圖3(a)的相同位置，可知由于折流圈的擾流使得折流圈附近的旁流流路參與傳熱。圖3(c)和圖3(d)其折流圈寬度分別增大，由圖可以看出，其折流圈附近的高溫區(qū)域面積逐漸增大。這是由于折流圈的擾流作用不斷增強使得流體傳熱更加均勻。

圖4為不同折流圈寬度折流柵速度云圖，分別給出了當(dāng)入口速度為0.5 m/s時，X(41)L(0)、X(41)L(2)、X(41)L(5)及X(41)L(10)折流柵第一段對稱面速度云圖。

圖4 折流柵速度云圖

從速度云圖的流體流動狀態(tài)來看，隨著折流圈的寬度不斷增加，流體的混亂度在增加。圖4(a)為無折流圈折流桿換熱器，基本上為平行流動，只在折流桿附近非常小的范圍內(nèi)有一定的擾流。由此可見折流桿對流體的擾動影響比較小。從圖4(b)可以看出，在折流圈尾部產(chǎn)生了擾流流動，但是影響范圍僅在折流圈附近，絕大部分的旁流流路仍處于平行流。而隨著折流圈的增加，如圖4(c)可以看出，基本整個旁流流路的平行流都被打亂，形成半漩渦流動。當(dāng)折流圈繼續(xù)增加，從圖4(d)可以看出，整個旁流流路不僅僅平行流全部消失，并且完全形成了旋渦流，而在折流桿附近的流體其擾流作用也有所增強。這說明了折流圈的擾流作用不僅僅強度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于折流桿，并且影響范圍也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于折流桿。

從速度云圖的流體速度分布可以看出，圖4(a)流體流速基本處于平行流，其最大流速約為1 m/s左右，而隨著折流圈寬度增加，流體流速不斷增加。而在圖4(d)中其最大流速發(fā)展到約為2.5 m/s左右。這說明折流圈的擾流作用，造成流體的分布極不均勻，從而可以在局部造成大雷諾數(shù)的漩渦流。

圖5為不同折流圈寬度折流柵壓力云圖，分別給出了當(dāng)入口速度為0.5 m/s時，X(41)L(0)、X(41)L(2)、X(41)L(5)及X(41)L(10)折流柵第一段對稱面壓力云圖。

圖5 折流柵壓力云圖

從壓力云圖的整體分布來看，隨著折流圈的寬度增加，總的壓降不斷增加。如圖5(a)當(dāng)無折流圈時，其壓降約為300 Pa左右。圖5(a)其最大壓降約為500 Pa左右，而圖5(d)壓降最大增加到6 000 Pa。說明了當(dāng)折流圈的寬度較小時，對壓降的影響和折流桿相差不大，而當(dāng)折流圈寬度不斷增加時，其對壓降的影響要遠(yuǎn)大于折流桿的影響。從單張壓力云圖的內(nèi)部分布來看，其壓力分布呈現(xiàn)分塊式分布，兩個折流圈內(nèi)部壓力場基本均勻，而跨越折流圈后壓力會發(fā)生跳躍式下降。這說明了折流桿換熱器其壓降損失主要是折流圈和折流桿導(dǎo)致的。而在圖5(c)與圖5(d)內(nèi)部可以看出已經(jīng)出現(xiàn)負(fù)壓的情況，如圖5(d)所示，其負(fù)壓往往發(fā)生在折流圈背部，這說明了當(dāng)折流圈寬度增加到一定范圍時，其背部逐漸形成了旋渦。

3.2 殼程流體流動與傳熱數(shù)據(jù)分析

為了客觀地衡量折流圈寬度對折流桿換熱器殼程流動與傳熱的影響，對于不同殼徑的折流桿換熱器引入折流圈寬度與殼體內(nèi)徑之比ζ，其中ζ=L/(L+X)。圖6為Nu-ζ、fe-ζ、Nu/fe-ζ關(guān)系圖，分別給出了不同殼徑下，隨著ζ增大，努塞爾數(shù)Nu，阻力系數(shù)fe及綜合系數(shù)Nu/fe的變化情況。

圖6 Nu-ζ，fe-ζ，Nu/fe-ζ關(guān)系圖

從圖6(a)可以看出隨著ζ增加，折流桿換熱器Nu不斷增大，說明折流圈的擾流對傳熱起到了強化作用；當(dāng)ζ<7時，Nu隨著ζ增加較明顯，當(dāng)ζ>7時，Nu隨著ζ增加較慢，并逐漸趨于平緩。說明當(dāng)折流圈增加到一定尺寸，其擾流作用對殼程傳熱影響逐漸減小。從不同布管限定圓X來看，Nu隨著ζ的變化趨勢一致，說明美國菲利普公式采用泄流面積與殼程面積比Al/As去衡量折流桿換熱器殼程傳熱性能是正確的，也說明ζ是影響折流桿換熱器殼程流動與傳熱的核心因素。在相同ζ時，布管限定圓X越大，其Nu略微增大。

從圖6(b)可以看出隨著ζ增加，阻力系數(shù)fe不斷增大，說明折流圈的擾流在起到強化傳熱的同時也增加了阻力損失；并且隨著ζ不斷增加，其fe增加速度在加大。從不同布管限定圓X來看，fe隨著ζ的變化趨勢一致，在相同ζ時，布管限定圓X越大，其fe略微增大。

從圖6(c)可以看出隨著ζ增加，綜合評定系數(shù)Nu/fe先增加后減小，當(dāng)ζ在5%左右達(dá)到最大。當(dāng)偏離峰值一定距離時，Nu/fe迅速減小。從不同布管限定圓X來看，Nu/fe隨著ζ的變化趨勢一致，但峰值位置略有偏差，最佳推薦值在4%-6%。在相同ζ時，布管限定圓X越大，其Nu/fe略微降低，這是由于當(dāng)布管限定圓X較大時，其長徑比減小導(dǎo)致折流桿換熱器的效率會略微下降引起的。

表2為對X=38與X=54折流桿換熱器殼程流動與傳熱影響比較，從而定量分析布管限定圓半徑對折流桿換熱器殼程Nu，fe及Nu/fe的影響。

表2 X對折流桿換熱器殼程流動與傳熱影響

從表2可以看出X=54相對于X=38增量為42%，對于不同ζ時，其Nu平均增量約為3%，可認(rèn)為X每增加10%，其Nu數(shù)約增加0.7%。其fe平均增量約為10%，可認(rèn)為X每增加10%，其fe數(shù)約增加2.4%。其Nu/fe平均減量約為6.7%，可認(rèn)為X每增加10%，其Nu/fe數(shù)約減少1.6%。

4 結(jié) 論

本文通過對折流桿換熱器在不同折流圈寬度與殼體內(nèi)徑比下進(jìn)行流動與傳熱分析，分析出對于不同布管限定圓半徑X的折流桿換熱器隨著ζ的變化，其Nu，fe及Nu/fe的變化趨勢基本一致。在相同ζ下，X每增加10%，其Nu增加0.7%，fe增加2.4%，Nu/fe減少1.6%。

注：X為布管限定圓半徑/mm，L為折流圈寬度/mm，u，v，w為x，y，z方向速度m/s，T為溫度/K，k為流體湍動能/J，ω為流體比耗散率，ε為耗散系數(shù)，I為流體湍流強度，ζ為折流圈寬度與殼體內(nèi)徑之比，Cp為定壓比熱容/J/(kg·K)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)/W/(m·K)，ρ為流體密度/kg/m，μ為流體動力粘度/N·s/，Nu為努塞爾數(shù)，fe為阻力系數(shù)。