管殼式換熱器折流板對(duì)換熱性能影響的數(shù)值模擬

江 竹，秦 健，張 輝

(西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

換熱器作為一種被廣泛應(yīng)用在化工、石油、動(dòng)力、食品等產(chǎn)業(yè)的重要設(shè)備，其作用是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體[1]。目前應(yīng)用較多的換熱器有管殼式換熱器、間壁式換熱器、套管式換熱器等。在種類繁多的換熱器中，管殼式換熱器以其制造簡(jiǎn)單、研發(fā)流程較為完善、可應(yīng)用在多種工況環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)領(lǐng)域[2]。常規(guī)的管殼式換熱器以單弓形折流板作為其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化換熱，然而該種管殼式換熱器在熱交換過程中存在殼程壓力損失較大、換熱效率不高、易結(jié)垢、易產(chǎn)生流動(dòng)死區(qū)等若干缺點(diǎn)[3-5]。由于換熱器的換熱性能以及運(yùn)行可靠性影響產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生以及企業(yè)效益，所以需要對(duì)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而提高管殼式換熱器的換熱性能和運(yùn)行可靠性，其中最有效果的一種方法就是在弓形折流板上開孔。

喻九陽設(shè)計(jì)出多種開孔方案，并結(jié)合大管孔折流板與弓形折流板的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行流阻和換熱器換熱實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，將折流板開孔擴(kuò)大，有助于增強(qiáng)換熱器換熱效率和減小殼程流動(dòng)阻力,殼程傳熱與流動(dòng)性能指標(biāo) 獲得顯著提升[6]。謝國(guó)雄在單弓形折流板上設(shè)計(jì)了5種開口方案并進(jìn)行試驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)在弓形折流板適當(dāng)部位開適當(dāng)數(shù)量的孔有利于提高換熱器換熱效率和降低殼程流動(dòng)阻力[7]。Tabore在研究管殼式換熱器的過程中，發(fā)現(xiàn)管殼式換熱器殼體直徑與折流板間距之間的關(guān)系，提出折流板間距取0.2～1倍殼體直徑具有更好的換熱效果[8]。隨著數(shù)值傳熱學(xué)(NTH)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)研究的不斷拓展，傳熱方面的數(shù)值模擬與計(jì)算也迅速發(fā)展起來，并在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，其中，對(duì)于管殼式換熱器殼程數(shù)值模擬的探索尤為重要。S.V.Patanker和D.B.Spalding在對(duì)管殼式換熱器殼程進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中，提出分布阻力的理念，運(yùn)用流體力學(xué)管殼式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬[9]。W.T.Sha在前人基礎(chǔ)上，引入表面滲透度的概念，并成功運(yùn)用模型完成對(duì)殼程的二維數(shù)值模擬[10]。C.Chang等人以電廠冷凝器為目標(biāo)，借助質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)守恒方程進(jìn)行了準(zhǔn)三維研究，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，數(shù)據(jù)比較吻合[11]。

本文在粘度較低的流體下對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，借助CFD軟件FLUENT[12]分別對(duì)0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s流動(dòng)速度下的管殼式換熱器殼程流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比研究了不同速度下開孔折流板與未開口折流板速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，對(duì)比分析了FLUENT對(duì)模型后處理的速度云圖、壓力云圖、溫度云圖，研究開孔折流板對(duì)管殼式換熱器換熱性能的影響，對(duì)管殼式換熱器的設(shè)計(jì)制造具有一定的參考價(jià)值。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)以及換熱過程遵循質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律以及動(dòng)量守恒定律。由于管殼式換熱器殼程流動(dòng)通常屬于湍流狀態(tài)，根據(jù)傳熱基本方程和流體流動(dòng)規(guī)律，計(jì)算方程選擇標(biāo)準(zhǔn) 模型。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε 模型[13]如下：

(1)

(2)

式中， ε為湍流耗散率；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)； YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；t為時(shí)間，單位為s；μ為湍流黏度，單位為kg/(m·s)； ρ為流體密度，單位為kg/m3；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)G1ε=1.44,C3ε=1，Cμ=0.09；k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能；μi為速度，單位為m/s；μt為湍流黏度，單位為Pa·s 。

1.2 幾何模型

模型包括傳統(tǒng)折流板換熱器和開孔折流板兩種類型。由于殼程流場(chǎng)中存在較多的管束和折流板，我們?cè)诒ＷC不影響模擬結(jié)果的前提下，首先對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)做出以下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

(1)殼程流體物理性質(zhì)穩(wěn)定、密度不變、不可壓縮。

(2)為了保證流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，延長(zhǎng)換熱器殼程進(jìn)口管的長(zhǎng)度。

(3)忽略折流板與內(nèi)壁間隙，忽略間隙漏流。

(4)換熱器與外界絕熱。

經(jīng)過簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示，換熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及流體物理性質(zhì)如表1所示。

圖1 物理模型

表1 管殼式換熱器主要機(jī)構(gòu)參數(shù)及流體物理性質(zhì)

2 計(jì)算方法與邊界條件

我們利用FLUENT軟件進(jìn)行管殼式換熱器殼程流動(dòng)的數(shù)值模擬，利用Gambit2.4.6軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型為T-grid，網(wǎng)格間距設(shè)為4，劃分后的網(wǎng)格總共有4274952個(gè)單元。

2.1 計(jì)算模型的選擇

由于殼程內(nèi)的湍流效應(yīng)影響著殼程內(nèi)部流動(dòng)以及傳熱過程，因此我們?cè)谇蠼獾倪^程中采用單精度求解器，選擇 方程模型及Standard Wall Functions(標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù))，Pressure Based隱式求解，以保證收斂的穩(wěn)定性[14-15]。

在完整的數(shù)值模擬過程中，我們分別進(jìn)行了入口速度為0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s三個(gè)流速下開孔折流板與未開孔折流板的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的比較研究。借助Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算模型的后處理，得到相應(yīng)流速下的溫度云圖、速度云圖以及壓力云圖。

2.2 邊界條件

計(jì)算流體進(jìn)口采用進(jìn)口速度入口條件(Velocity-inlet)，溫度設(shè)為289K，出口自由出口邊界條件(outflow)，換熱管壁wall，溫度378K，殼體采用不可滲透、無滑移邊界；流體域是液態(tài)水，固體域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)鋼，采用默認(rèn)物性參數(shù)，不考慮溫度對(duì)粘度影響，湍流模型為 模型。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

低流速(0.1～0.3m/s)的流體流場(chǎng)不理想，不利于殼程換熱，而高流速(>1.5m/s)下，流體流速過快使換熱過程不充分，同樣影響換熱性能[16]。本次數(shù)值模擬中選取0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s三個(gè)入口流速，管殼式折流板換熱器中速度變化時(shí)，壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，管殼式開孔折流板換熱器同樣也遵循此規(guī)律，所以我們對(duì)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的分析均取入口流速為0.8m/s進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 壓力場(chǎng)分析

當(dāng)入口流速為0.8m/s時(shí)，管殼式折流板換熱器壓力云圖如圖2所示；管殼式開孔折流板換熱器壓力云圖如圖3所示。

圖3 管殼式開孔折流板換熱器殼程壓力場(chǎng)

通過對(duì)圖2和圖3的對(duì)比分析，我們可知，管殼式換熱器折流板未開孔時(shí)壓力分布呈現(xiàn)塊狀不均勻分布，壓力滯留在折流板背部，這種情況會(huì)對(duì)換熱器的換熱性能產(chǎn)生不利影響[17]；而開孔折流板壓力分布較均勻，壓力有所降低，這樣可以降低外界動(dòng)力設(shè)備要求，一定程度上起到節(jié)能作用。

3.2 溫度場(chǎng)分析

圖4為入口速度0.8m/s下管殼式折流板換熱器殼程溫度云圖；圖5為入口速度0.8m/s下管殼式開孔折流板換熱器殼程溫度云圖。可以看出，未開孔換熱器折流板背部的溫度滯留較為嚴(yán)重，不利于換熱[18]。而開孔折流板的整個(gè)溫度場(chǎng)產(chǎn)生了溫度梯度，折流板背部溫度滯留得到一定程度改善。通過對(duì)兩張圖的對(duì)比分析可以得出，開孔折流板有利于換熱器的熱量交換。

圖4 管殼式折流板換熱器殼程溫度場(chǎng)

圖5 管殼式開孔折流板換熱器殼程溫度場(chǎng)

3.3 速度場(chǎng)分析

通過分析圖6:a,b,c可以發(fā)現(xiàn)，折流板背部存在部分滯留區(qū)，且滯留區(qū)范圍與速度大小成正比關(guān)系：速度越大，滯留區(qū)的范圍也越廣。這也對(duì)溫度和壓力的分布造成影響；開孔折流板的速度云圖如圖6:d,e,f所示，通過對(duì)圖的分析我們可以看出，在開孔的位置出現(xiàn)部分射流。產(chǎn)生的射流，使得折流板背部的滯留區(qū)域被打破，流動(dòng)死區(qū)減少，進(jìn)而背部區(qū)域的流動(dòng)得到加快，滯留區(qū)域被破壞使整個(gè)殼程溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的分布趨于平均，也意味著換熱性能的提高[19]。

圖6 管殼式折流板換熱器殼程速度云圖

4 結(jié)論

本文借助Fluent軟件對(duì)不同入口流速下管殼式開孔折流板與未開孔折流板殼程流場(chǎng)的數(shù)值模擬，通過對(duì)兩者速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)在管殼式折流板換熱器殼程流場(chǎng)中，折流板背部易形成滯留區(qū)，進(jìn)而造成溫度、速度、壓力分布不均勻，對(duì)于管殼式折流板換熱器的換熱性能具有一定的消極影響。

(2)隨著入口速度的不斷提高，折流板背部滯留區(qū)域也不斷增加，開孔折流板相較于未開孔折流板能有效減少滯留區(qū)面積，使整個(gè)流場(chǎng)的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布更加均勻，對(duì)提高管殼式換熱器換熱性能具有積極作用。

(3)開孔折流板產(chǎn)生的射流能夠加速滯留區(qū)的擾動(dòng)作用，減少了流動(dòng)死區(qū)的范圍，增加的換熱面積，提高了換熱效率。

總體來說，在相同流速下，開孔折流板換熱器比未開孔的傳統(tǒng)弓形換熱器的換熱性能更加優(yōu)秀。由于對(duì)折流板開圓孔加工工藝簡(jiǎn)單、成本較低，因此，對(duì)管殼式折流板換熱器的折流板進(jìn)行開孔是一種經(jīng)濟(jì)有效的強(qiáng)化管殼式換熱器換熱的方法，具有一定的推廣使用價(jià)值。