板殼式換熱器板管內流場的數(shù)值模擬研究

張洋樂

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用極其廣泛，如何提高換熱器效率、優(yōu)化換熱器傳熱一直是人們關注的焦點。因此很多高效節(jié)能的換熱器，如翅片管式、扭曲管式、螺旋板式、折流桿式、板殼式換熱器等應運而生。其中板殼式換熱器是介于管殼式換熱器和板式換熱器之間的一種結構形式，兼顧了管殼式換熱器和板式換熱器的優(yōu)點，可有效提高煉油化工企業(yè)的經(jīng)濟效益和裝置運行的效能。

板殼式換熱器由于換熱板片的特殊結構，也存在工作壓力不宜過大、介質溫度不宜過高、泄漏后不易修補等缺點，因此對板殼式換熱器的詳細研究十分必要。板殼式換熱器的板管內、外流體均產(chǎn)生復雜的流動，其復雜的流動特性會獲得較強的旋轉擾動。運用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)的模擬技術對換熱器的管程和殼程流場進行模擬，可以對板管內部的復雜流動進行較全面的分析。

本文以中國石化某公司潤滑油系統(tǒng)改造項目80萬t/a連續(xù)重整-苯抽提裝置中的換熱器改造作為研究實例，對比研究了板殼式換熱器直通紋板管和普通管殼式換熱器光管管內的性能。管程流體介質物性見表1。

表1 板殼式換熱器換熱板管內的流體物性

1 數(shù)值模擬

1.1 實物模型及模擬計算方法

板殼式換熱器板束的內部結構如圖1所示。模擬計算的換熱板厚度0.7mm(與實際沖壓換熱板厚度相同)，凸凹紋以中性面對稱，整體物理模型及實物如圖2所示。

圖2 板殼式換熱器的整體物理模型及實物

圖1 板殼式換熱器內部結構

板殼式換熱器換熱板內介質的模擬計算利用計算流體力學的方法，采用模擬計算中剪切應力輸運(Shear Stress Transport)湍流(SST)模型【1】。此模型基于k-ω模型，在計算域內近壁面區(qū)域采用新函數(shù)修正法進行處理，可更為有效和真實地模擬計算域近壁面處的介質流動。剪切應力模型是能夠更真實地反映計算域積分到壁面的渦粘性模型。在經(jīng)典湍流模型的基礎上加入渦流的粘度參數(shù)Vt，可得到更精確的計算結果。

1.2 網(wǎng)格的劃分和邊界條件的確定

板殼式換熱器板管利用商用軟件ANSYS Workbench中的DesignModeler以及INVENTOR進行幾何模型的建立，同時利用ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件對計算域進行離散化處理并劃分網(wǎng)格。為了更好地捕捉邊界層、模擬計算板面凹凸處及光管的流動特性，在計算域邊壁的區(qū)域適當加密網(wǎng)格。換熱板管網(wǎng)格劃分見圖3，光管網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 光管模擬計算網(wǎng)格劃分

圖3 換熱板管凹凸紋模擬計算網(wǎng)格劃分

模擬計算換熱板管凹紋、凸紋結構及光管的流動特性，在相同管程流量工況下，對比分析其綜合性能。利用基于k-ω模型的剪切應力輸運湍流模型，采用穩(wěn)態(tài)計算，求解連續(xù)性方程、能量方程和動量方程，來同時獲得V(速度)、P(壓力)和T(溫度)等變量的計算結果。采用具有高階精度離散格式，這樣可保證計算結果準確且確保對邊界層的捕捉成功。定義各方程收斂條件平均殘差RMS值(Residual Target)絕對值小于1.0×10-5。

根據(jù)表1中的流體介質物性，給定入口流量和T條件；給定計算模型的出口邊界條件為壓力出口，背壓(速度入口及壓力出口)；給定換熱板管及光管壁面為不可滲透且為無滑移邊界條件，給定換熱板管壁面的壁面溫度(wallt)變化曲線(根據(jù)實例工藝條件給定的進出口T以及換熱器管程的長度)見式(1)：

wallt= (30+x/0.312×5.85)

(1)

式中：x——換熱板管長度方向的坐標,m；

wallt——壁面溫度,℃。

2 模型計算的結果

為更好地對比研究換熱板管與光管的性能，分析研究了換熱板管自身的結構特點，得到自身綜合性能最優(yōu)的換熱板管結構，實現(xiàn)了板殼式換熱器的優(yōu)化。

2.1 不同角度換熱板管凹紋通道的性能對比

2.1.1 板管內流體速度分布

板殼式換熱器板管的自身結構特點對板管的換熱性能影響巨大。利用模擬計算可以對比研究得到換熱板管的最優(yōu)結構。模型計算了0°、10°、20°、30°凹紋結構，得到如圖5(a)～圖5(d)所示的換熱板管不同角度凹紋結構速度矢量。

從圖5(a)～圖5(d)中可以看出：不同角度凹紋結構的換熱板管內的介質流動都有一定的旋轉及擾動特性。通過對比可以清晰地看出，20°[圖5(c)]凹紋通道內的流體旋轉及擾動性最強。分析其原因可知：角度過小時，流體擾動性相對較弱； 而若角度過大則會由于流體的粘性導致凹紋之間流體相對較少，形成死區(qū)，不利于強化傳熱。

圖5 換熱板管0°、10°、20°、30°凹紋結構速度矢量

2.1.2 板管內傳熱性能分析

影響換熱器性能的一個重要參數(shù)是傳熱系數(shù)。圖6為不同入口流量、不同角度換熱板管傳熱系數(shù)曲線。

圖6 不同入口流量的傳熱系數(shù)曲線

從圖6中可以看出：隨著入口流量的增大，傳熱系數(shù)都略有增加，但變化不大，趨于平穩(wěn)；20°凹紋結構的傳熱系數(shù)明顯大于其他結構，與2.1.1節(jié)，對板管內速度分布的分析得到的結論一致。

2.1.3 管內壓力損失

影響換熱器性能的另一個重要參數(shù)是流體的壓降。圖7為不同入口流量的板管內的壓降變化。從圖7中可以看出；隨著流量的增大，壓降逐漸增大，而20°凹紋通道結構的換熱板管壓力損失最大，這是由于20°板管內旋流擾動更劇烈，邊界層擾動明顯，因此流體的粘性阻力損失較大、壓降較高。

圖7 不同入口流量的壓降變化曲線

2.1.4 不同角度換熱板管的綜合性能對比

傳熱系數(shù)和壓力損失是衡量換熱器性能的2個重要指標。但是從優(yōu)化設計的角度出發(fā)，單獨通過任何1個參量確定換熱器性能的優(yōu)劣都是不可取的。目前國內外使用較多的處理方法是以單位壓力損失下的傳熱系數(shù)(α=K/Δp)大小作為衡量標準，來評估換熱器的綜合性能。

圖8為不同入口流量、不同角度換熱板管綜合性能指數(shù)α的變化。從圖8中可以看出：α值隨著流量的增大而降低，換熱板管20°凹紋通道結構的綜合性能指數(shù)α最高。因此在下面的模擬計算中，利用20°凹紋結構作為凹紋通道與其他結構進行對比，繼續(xù)研究換熱板管的性能。

圖8 不同入口流量綜合性能指數(shù)α曲線

2.2 20°凹紋結構換熱板管與光管的性能對比

2.2.1 換熱板管與光管的流體速度分布

通過對換熱板管內凹凸紋結構流體速度分布進行模擬計算，對比分析換熱板管與普通光管之間換熱性能的差異。

圖9為換熱板管內凹紋處的速度分布及流線，圖10為換熱板管內凸紋處的速度分布及流線，圖11為光管的速度分布云圖。從圖9中可以看出：換熱板管內的介質流動有著很強的旋轉及擾動特性。如圖11所示，光管的邊界層較厚，而換熱板管由于自身的結構特性，強旋流以及擾動破壞了這種邊界層，使得流體的擾動性大幅度提升。通過模擬計算分析可知，換熱板管凸紋處內部擾流相對較少，從圖10的流線可以看出：僅有少部分流體流入凸紋內部，且只在近壁面處產(chǎn)生部分擾動，因此凸紋對換熱器換熱板管內部的擾流起到的作用相對較弱； 而從圖9可以看出：凹紋結構對流體的擾動性影響極大，使板管內流體產(chǎn)生強旋轉，增加了流體的湍流，削弱了邊界層，這將大幅度地改善換熱器換熱板管的換熱性能。

圖9 換熱板管凹紋速度矢量分布及流線

圖10 換熱板管凸紋處速度分布及流線

圖11 光管速度分布云圖

2.2.2不同寬度通道結構的換熱器板管與光管的傳熱性能分析

圖12為不同入口流量的換熱板管及光管內傳熱系數(shù)的變化趨勢。從圖12中可以看出：隨著入口流量的增大，傳熱系數(shù)都略有增加，但變化不大，趨于平穩(wěn)，與2.1.2節(jié)的分析相似。從曲線關系中可以看出：凹紋窄通道結構的傳熱系數(shù)明顯大于其他結構；同時可以看出：對板殼式換熱器換熱板管內的流動影響最大的結構為凹紋結構，凸紋結構對板內流動影響相對較小。因此衡量板殼式換熱器板內流動綜合性能時，要考慮不同結構的影響，加權平均得到最終的數(shù)值。

從圖12中還可以看出：凹紋窄通道和凹紋寬通道結構的傳熱系數(shù)差別很大，模擬計算的凹紋結構與換熱板管水平方向成20°夾角；所有結構形式的換熱板管換熱系數(shù)均大于普通光管結構。圖13為凹紋窄通道與凹紋寬通道結構的速度矢量分布云圖。窄通道凹紋之間距離較近，寬通道凹紋之間距離較遠。從圖13中可以看出：由于寬通道結構凹紋之間距離較遠，流體擾動明顯不如窄通道結構，因此凹紋窄通道結構的傳熱系數(shù)明顯大于寬通道結構。

圖12 不同入口流量的傳熱系數(shù)變化曲線

圖13 凹紋窄通道與凹紋寬通道結構的速度矢量分布云圖

2.2.3 管內壓力損失對比

圖14為不同入口流量的換熱板管及光管內的壓降變化。從圖14中可以看出：隨著流量的增大，壓降逐漸增大；窄通道的換熱板管內旋流擾動比寬通道結構更劇烈，因此壓降高于寬通道。而換熱板管與光管相比，由于換熱板管的邊界層擾動明顯高于光管，因此流體的粘性阻力損失明顯增大，所以換熱板管的壓降均高于光管的壓降。

圖14 不同入口流量的壓降變化曲線

2.2.4 換熱器板管與光管的綜合性能對比

圖15顯示了不同入口流量的換熱板管及光管結構綜合性能指數(shù)α的變化。從圖15中可以看出：α值隨著流量的增大而降低，換熱板管凹紋窄通道結構及凸紋結構的綜合性能指數(shù)α較高，高于光管的性能，而且流量越低這個優(yōu)勢越明顯，最大值高于光管約35%；凹紋寬通道結構的綜合性能指數(shù)α僅略高于光管。通過以上的模擬計算可以看出，板殼式換熱器換熱板管板面自身的結構特點對強化傳熱起著至關重要的作用。

圖15 不同入口流量綜合性能指數(shù)α曲線

2.3 換熱板管綜合性能指數(shù)的擬合

根據(jù)以上模擬計算數(shù)值，最終將凹紋窄通道結構及凸紋結構的影響力加權平均，得到換熱板管與普通光管綜合性能指數(shù)的對比情況，如圖16所示。從圖16中可以看出：換熱板管結構的綜合性能明顯高于普通光管結構；在模擬計算的入口流量范圍內，換熱板管的綜合性能指數(shù)高于光管9.0%～26.9%，其中平均值高于光管14.5%，最高值高于光管26.9%，說明換熱板管結構實現(xiàn)了對換熱器綜合性能的提升。

圖16 換熱板管與光管綜合性能指數(shù)α

3 結語

由于凹凸紋板管結構的特殊性，使得板管內流體旋轉和擾動明顯增強，產(chǎn)生垂直于主流方向的二次流，增加了流體的湍流，削弱了邊界層，強化了板管內流體傳熱。

使用CFX軟件對不同入口流量的換熱板管及光管結構進行計算，對管程流場進行模擬計算及分析，得到了以下結論：

1) 隨著流量的增加，板管內傳熱系數(shù)略有增加，但變化不大，趨于平穩(wěn)；換熱板管凹紋結構對傳熱的影響最大，凸紋結構遠端流動相對較弱，對傳熱影響較小，凹凸紋結構對強化傳熱的貢獻分別占77.28%和22.72%。

2) 換熱板管自身的結構特性對板管的性能影響巨大。以單位壓降下的傳熱系數(shù)α(α=K/Δp)大小作為衡量板管性能的標準，20°凹紋結構的板管綜合性能最高；窄凹紋結構的傳熱性能高于寬凹紋結構。

3) 通過加權平均計算，擬合出換熱板管內綜合性能指數(shù)高于普通光管結構，平均值高出14.5%，最高值高出26.9%，實現(xiàn)了優(yōu)化設計。

以α作為衡量板管性能的標準，換熱板管內綜合傳熱性能明顯優(yōu)于普通光管，在增加能耗不多的前提下，可明顯提高換熱器的傳熱效率。