垂直布置百葉折流板管殼式換熱器性能研究

王志鵬，雷勇剛，杜保存，李亞子，王 飛

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于石油化工、能源動(dòng)力等領(lǐng)域，其中，弓形折流板換熱器是應(yīng)用最廣泛的一種管殼式換熱器[1-5]。

傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器存在流動(dòng)阻力大，管束震動(dòng)大和流動(dòng)傳熱死區(qū)大等問題。為了解決傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器存在的問題，許多學(xué)者對如何優(yōu)化弓形折流板管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[6-8]。管束支撐結(jié)構(gòu)是管殼式換器的關(guān)鍵部分，直接影響管殼式換熱器的傳熱和阻力特性。因此，學(xué)者們提出了很多管殼式換熱器殼側(cè)支撐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如雙弓形折流板換熱器[9]、圓盤圓環(huán)型折流板換熱器[10]、折流桿換熱器[11]、螺旋折流板換熱器[12-19]。其中，雙弓形折流板換熱器和圓盤圓環(huán)型折流板換熱器雖然對傳統(tǒng)弓形折流板換熱器進(jìn)行了改良，但仍未能從根本上改變殼側(cè)流動(dòng)狀態(tài)。折流桿換熱器將弓形折流板換熱器殼側(cè)的橫向流變?yōu)榭v向流，使得流阻降低，抗垢性能良好，但是結(jié)構(gòu)緊湊性差，相同流量下的殼側(cè)傳熱系數(shù)低，不適用低雷諾數(shù)工況。螺旋折流板換熱器能有效減少流動(dòng)死區(qū)，但其加工和安裝較為困難。雷勇剛等[20]提出新型百葉折流板管殼式換熱器，該換熱器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器相比，減小了流動(dòng)死區(qū)，提高了單位泵功下的傳熱量，同時(shí)，降低了加工難度。

基于上述已有研究，本文提出了一種垂直布置百葉折流板的新型管殼式換熱器，旨在改善管殼式換熱器殼側(cè)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)換熱優(yōu)化，降低泵功消耗。通過三維數(shù)值模擬研究，對垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側(cè)流場、傳熱和阻力性能進(jìn)行了研究，并具體分析了折流片傾角對其性能的影響。

1 幾何模型及其數(shù)學(xué)描述

1.1 幾何模型

垂直布置百葉折流板管殼式換熱器由外殼、換熱管束、管側(cè)進(jìn)出口、殼側(cè)進(jìn)出口和百葉折流板組成，百葉折流板垂直布置，對管束起到支撐和導(dǎo)流作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。寬度和傾角相同的4片百葉折流板等間距垂直布置在殼體內(nèi)，殼側(cè)流體由殼側(cè)入口進(jìn)入換熱器，經(jīng)百葉折流板的導(dǎo)流后，形成多股受限外流，通過換熱管束壁面與管側(cè)流體進(jìn)行熱量交換，最后由殼側(cè)出口流出。傾斜角度為折流片與換熱管軸線的夾角，換熱器基本幾何參數(shù)如表1所示。為了進(jìn)行性能對比，本文同時(shí)建立了弓形折流板換熱器的物理模型，其外殼和換熱管布置及其幾何參數(shù)與垂直布置百葉折流板管殼式換熱器相同，只有折流板結(jié)構(gòu)不同。

圖1 百葉折流板垂直布置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure with vertically arranged Louver baffles

表1 模型基本幾何參數(shù)Table 1 Geometric dimension of the design

1.2 控制方程和計(jì)算方法

1.2.1三維穩(wěn)態(tài)湍流控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

k方程：

(4)

ε方程：

(5)

1.2.2基本方程

換熱器換熱量:

(6)

換熱器傳熱系數(shù):

h=Q/ΔTm·A.

(7)

1.2.3邊界條件和計(jì)算方法

本文計(jì)算同時(shí)考慮了換熱器管側(cè)和殼側(cè)的流動(dòng)和換熱情況，殼側(cè)流體為熱水流體，管側(cè)流體為冷水流體，入口均為速度入口邊界條件，給定均勻流速，設(shè)定冷水和熱水入口溫度分別為298 K和333 K，湍流強(qiáng)度I=5%；出口為壓力出口邊界條件；換熱管和折流片均為耦合傳熱面，實(shí)現(xiàn)流體和固體的耦合傳熱計(jì)算；外殼為絕熱邊界條件，固體壁面為無滑移邊界條件。通過三維數(shù)值模擬，對垂直布置百葉折流板管殼式換熱器換熱和流動(dòng)特性進(jìn)行研究。計(jì)算中采用高階的QUICK格式離散方程，SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度的耦合計(jì)算，采用RNGk-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2 網(wǎng)格生成和獨(dú)立性考核

計(jì)算模型由換熱管、垂直布置百葉折流板、外殼以及管側(cè)和殼側(cè)進(jìn)出口等結(jié)構(gòu)組成；殼側(cè)尺寸、折流板與換熱管之間尺寸差距大，在換熱器管側(cè)和殼側(cè)進(jìn)出口處采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。本文同時(shí)考慮管內(nèi)和管外的流動(dòng)和換熱情況，在換熱管內(nèi)部也生成網(wǎng)格，換熱管面和折流板表面為流固耦合面。為了提高計(jì)算的精度，對換熱管邊界處進(jìn)行自適應(yīng)加密處理，生成網(wǎng)格截面圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格截面圖Fig.2 Grid of cross-section

通過調(diào)整網(wǎng)格尺寸，建立5組細(xì)密程度不同的網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)分別為1 756 845、2 096 148、2 522 400、2 712 106、3 106 000，對5組網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性考核，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。第四套網(wǎng)格與第五套網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果偏差小于1%，綜合考慮時(shí)間成本和計(jì)算精度，采用第四套網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性考核Fig.3 Grid independence test and verification

3 模型有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文模擬計(jì)算的有效性，建立與文獻(xiàn)[17]中的換熱器實(shí)驗(yàn)試件幾何結(jié)構(gòu)相同的管殼式換熱器模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，殼側(cè)壓降隨殼側(cè)流量變化的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖4所示。由圖4可以看出：模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試得到的殼側(cè)壓降值隨換熱器殼側(cè)流量的變化趨勢一致，殼側(cè)進(jìn)出口壓降均隨著殼側(cè)流量的增加而增大，模擬計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差在15%以內(nèi)。這充分說明本文建立的模型和計(jì)算方法是可靠的。

圖4 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[17]實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison of the experimental date[17] and simulation data

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 流場和溫度場分析

圖5為弓形折流板和垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的殼側(cè)流場圖，殼側(cè)入口流速為1.5 m/s.由圖5可以看出，弓形折流板管殼式換熱器殼側(cè)流場呈現(xiàn)典型的“Z”字型周期性流動(dòng)，殼側(cè)流體流經(jīng)前一塊折流板缺口形成平行于換熱管的縱向流，在后一塊折流板迎風(fēng)面阻擋下突變?yōu)闄M向流沖刷換熱管，流場分布不均勻；特別是在折流板背面形成回流區(qū)，該區(qū)域流速緩慢，傳熱惡化。與傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器相比，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼程流場分布均勻，充分利用流體與換熱管接觸的換熱面積；殼側(cè)形成較均勻的斜向流，局部流場受折流板擾動(dòng)明顯，流體經(jīng)過折流板間隙后形成漩渦尾流，斜向沖刷換熱管，換熱充分且有利于防垢。

圖5 換熱器殼側(cè)流場圖Fig.5 Flow field of heat exchanger in shell side

圖6為弓形折流板換熱器和垂直布置百葉折流板換熱器的換熱管束溫度分布圖。從圖中可以看出，換熱管束高溫區(qū)域出現(xiàn)在殼側(cè)入口處，換熱管束溫度沿殼側(cè)流體流動(dòng)方向逐漸降低。弓形折流板管殼式換熱器的換熱管束溫度場呈現(xiàn)出與殼側(cè)流場對應(yīng)的“Z”字型分布；垂直布置式百葉折流板換熱器的換熱管束溫度場變化均勻，并沿軸線方向降低，有利于降低換熱管束的熱應(yīng)力，提高換熱器運(yùn)行的安全性能。

圖6 換熱器內(nèi)換熱管束溫度分布圖Fig.6 Temperature field of heat exchanger for tube

4.2 換熱器殼側(cè)阻力性能分析

圖7為不同折流片傾角的垂直布置百葉折流板管殼式換熱器和傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器殼側(cè)進(jìn)出口壓降與入口流速的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側(cè)壓降均小于弓形折流板管殼式換熱器壓降。其原因在于弓形折流板管殼式換熱器殼側(cè)流體垂直沖刷換熱管且在折流板缺口處流向發(fā)生突變，使得壓力損失大；而百葉折流板管殼式換熱器殼側(cè)流體斜向沖刷換熱管，沒有因流體突然轉(zhuǎn)向而形成大的壓降。與弓形折流板管殼式換熱器相比，折流片傾角為30°時(shí)，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的壓降降低了42.16%～45.10%；折流片傾角為45°時(shí)，降低了31.94%～40.99%；折流片傾角為60°時(shí)，降低了29.76%～32.28%；折流片傾角為75°時(shí)，降低了10.06%～12.66%.計(jì)算結(jié)果表明，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側(cè)壓降隨著折流片傾角的增大而增加，壓降增幅隨之增大。這是因?yàn)殡S著折流片角度的增大，兩折流板之間的流通面積減小，通過流通面積的流體速度變大，流動(dòng)阻力相應(yīng)增大；同時(shí)，折流片角度變大，對流體的速度方向的改變更為顯著，使得局部阻力增大。

圖7 殼側(cè)壓降與入口流速變化關(guān)系圖Fig.7 Pressure drop of shell side vs flow rate

4.3 換熱器殼側(cè)綜合性能分析

圖8為不同折流片傾角的垂直布置百葉折流板管殼式換熱器和弓形折流板管殼式換熱器單位壓降下的傳熱系數(shù)與入口流速的關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨著流速的增加，不同折流片傾角的換熱器單位壓降下的傳熱系數(shù)隨殼側(cè)流量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在研究過程中，不同流速下的垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的單位壓降下的傳熱系數(shù)K均大于弓形折流板管殼式換熱器，這說明在相同的泵功損耗下，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的換熱系數(shù)大于弓形折流板換熱器。這也意味著在獲得相同換熱量的情況下，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的泵功消耗要低于弓形折流板換熱器。與傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器相比，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器將垂直沖刷換熱管的橫向流變?yōu)檠卣哿靼宸较虻男毕蛄鲃?dòng)，殼側(cè)流體沒有了流向的突然改變，使得其壓力損失減?。煌瑫r(shí)，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側(cè)流場更加均勻，減小了折流板后方的流動(dòng)死區(qū)，使得有效換熱面積更大。在傾角較小時(shí)，流通截面積大，流體速度小，換熱管表面的熱邊界層較厚，流體速度場和溫度場協(xié)同程度差。隨著傾角的增大，流通面積減小，流速逐漸增大，場協(xié)同程度變好，邊界層厚度減小，傳熱系數(shù)增加。與弓形折流板管殼式換熱器相比，折流片傾角為30°時(shí)，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器單位壓降下的傳熱系數(shù)提高了36.62%～49.29%；折流片傾角為45°時(shí)，提高了38.62%～51.43%；折流片傾角為60°時(shí)，提高了28.02%～44.14%；折流片傾角為75°時(shí)，提高了8.36%～20.59%.當(dāng)傾角為45°時(shí)，單位壓降下的傳熱系數(shù)最大，綜合性能最好。

圖8 單位壓降下的傳熱系數(shù)與殼側(cè)入口流速的關(guān)系圖Fig.8 Heat transfer coefficient/pressure drop in shell side vs flow rate

5 結(jié)論

發(fā)展一種新型垂直布置百葉折流板管殼式換熱器，建立三維數(shù)值模擬模型，考慮管側(cè)和殼側(cè)流體耦合作用，能夠更真實(shí)地反應(yīng)流動(dòng)和換熱情況。本文通過三維數(shù)值模擬，對不同折流片傾角下的垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的傳熱和阻力性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1) 與傳統(tǒng)的弓形折流板管殼式換熱器相比，新型垂直布置百葉折流板的管殼式換熱器殼側(cè)流體形成傾斜流動(dòng)，斜向沖刷換熱管，殼側(cè)壓降降低；其流場均勻，流動(dòng)死區(qū)減小，有效換熱面積大，傳熱效率提高。

2) 垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側(cè)壓降隨折流片傾斜角度的減小而減小。與弓形折流板管殼式換熱器相比，最多降低45.10%，最少降低10.06%，泵功減小，節(jié)能效果明顯。

3) 垂直布置式百葉折流板換熱器單位壓降下的傳熱系數(shù)不隨折流片傾斜角度呈現(xiàn)單調(diào)變化。當(dāng)傾角為45°時(shí)，其單位壓降下的傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的傳熱系數(shù)提高了38.62%～51.43%，綜合性能最好。