菱形孔支撐板換熱器的流動(dòng)和傳熱性能研究

朱行，董聰，黃永麗，杜海波，胡茂潮

菱形孔支撐板換熱器的流動(dòng)和傳熱性能研究

朱行，董聰*，黃永麗，杜海波，胡茂潮

（浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

弓形折流板換熱器作為最常見的傳統(tǒng)管殼式換熱器，其存在著容易結(jié)垢、流阻過大等缺陷，文章針對(duì)菱形孔支撐板換熱器，通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行流動(dòng)和傳熱性能研究。結(jié)果表明，兩種菱形孔支撐板方案的殼側(cè)努塞爾數(shù)o相較于弓形折流板方案分別提高了52.20%和51.95%，為異型孔縱向流換熱器的優(yōu)化與選型提供設(shè)計(jì)參考。

管殼式換熱器；菱形孔支撐板；CFD；強(qiáng)化傳熱

引言

伴隨著科學(xué)以及生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于能源的使用需求日益增大，現(xiàn)階段如何高效利用能源資源已成為各個(gè)國(guó)家重點(diǎn)研究的問題[1]。換熱器是一種廣泛應(yīng)用于航空、冶金、能源、石油化工等行業(yè)的重要的能量交換設(shè)備，弓形折流板換熱器作為最常見的傳統(tǒng)管殼式換熱器，其存在著容易結(jié)垢、流阻過大等缺陷[2-3]，由此可見強(qiáng)化換熱器的傳熱性能對(duì)節(jié)能降耗起著至關(guān)重要的作用[4]。

王珂等[5]建立周期性模型，對(duì)三種不同支撐結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器的流動(dòng)特性進(jìn)行性能研究，研究結(jié)果表明，流體在殼程內(nèi)產(chǎn)生橫向流、縱向流、混合流三種不同流態(tài)，流體壓降和傳熱系數(shù)受到殼程橫向流速的影響很大。王翠華等[6]采用數(shù)值模擬的方法探究網(wǎng)狀孔板換熱器的流動(dòng)和換熱特性，研究結(jié)果表明，當(dāng)流體通過隔板時(shí)產(chǎn)生的射流作用，強(qiáng)化了傳熱，網(wǎng)狀孔板換熱器的Nu達(dá)到弓形折流板換熱器的1.5倍。李靜等[7]通過改變翅片結(jié)構(gòu)，提出了新型縱向流一體式翅片管，使用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)7種周期性單元流道進(jìn)行數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明，105°夾角的翅片管的換熱系數(shù)相對(duì)于光管提高了近60%，綜合性能大大提高。

因此，為達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的可以分別從換熱器的支撐板幾何結(jié)構(gòu)和管束的幾何形狀入手，通過合理的配置，使換熱器的綜合性能得到顯著提升。本文建立兩種新型菱形孔支撐板換熱器模型，采用數(shù)值模擬的方法，針對(duì)流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行研究，得到不同換熱器模型的溫度場(chǎng)，考查殼程換熱及壓降特性，來驗(yàn)證該模型準(zhǔn)確性，并為換熱器的優(yōu)化與選型提供數(shù)據(jù)支持。

1 模型參數(shù)

近年來計(jì)算機(jī)性能飛速發(fā)展，使用整體模型、周期性全截面模型、單元流道模型對(duì)管殼式換熱器的數(shù)值仿真已經(jīng)被廣泛開展。而在建立數(shù)值仿真模型時(shí)，往往要對(duì)所研究的模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，以實(shí)現(xiàn)在節(jié)省計(jì)算機(jī)資源的同時(shí)達(dá)到較高的仿真精度。

依據(jù)核心部件的傳熱特性，同時(shí)考慮模擬分析精度要求，對(duì)兩種菱形孔支撐板換熱器和弓形折流板換熱器的整體計(jì)算模型做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，換熱器模型殼體外徑102mm，支撐板內(nèi)徑100mm，管束外徑5mm，內(nèi)徑4mm，管束數(shù)量為13，管束有效長(zhǎng)度240mm，換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 仿真條件

在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)仿真結(jié)果的影響非常之大，為了達(dá)到較高精度，本文所有模型均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置殼側(cè)、管側(cè)雙流域，換熱器外殼不參與換熱，選取全局網(wǎng)格尺寸為5mm，在局部網(wǎng)格中選取進(jìn)出口面，支撐板面網(wǎng)格尺寸為3mm，選取管束耦合交界面網(wǎng)格尺寸為1mm，網(wǎng)格生成方式選取四面體網(wǎng)格生成，進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量分析，確保生成的網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到計(jì)算精度要求，最終確定的網(wǎng)格數(shù)量大約為450萬。

使用Fluent軟件作為求解器求解計(jì)算時(shí)，選取液態(tài)水作為工質(zhì)運(yùn)行在管程和殼程實(shí)現(xiàn)熱量交換，進(jìn)口采用速度入口邊界，出口采用壓力出口邊界，支撐板、支撐桿和殼體外壁面選擇絕熱壁面條件，管束采取耦合壁面條件。相關(guān)模擬分析條件設(shè)置如下：打開能量方程，流域內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜湍流，因此采用RNG k?ε湍流模型計(jì)算，使用收斂性較好的壓力和速度耦合的SIMPLE算法，壓力項(xiàng)選擇標(biāo)準(zhǔn)離散格式，其余項(xiàng)選擇二階迎風(fēng)格式，設(shè)置能量方程殘差收斂條件為10-5，其余收斂條件選取默認(rèn)值，測(cè)試點(diǎn)條件選取管側(cè)入口溫度333.15K、入口流速1-6m/s；殼側(cè)溫度296.15K、入口流速u恒定1m/s。

3 性能計(jì)算

按照模擬結(jié)果給出的各類換熱器的管殼側(cè)流體進(jìn)出口速度、溫度和管殼側(cè)壓降，可計(jì)算換熱器的傳熱性能、壓降損失。使用管內(nèi)側(cè)的換熱系數(shù)hi與殼側(cè)換熱系數(shù)ho分析換熱性能：

其中：di和do表示管束的內(nèi)徑和外徑；λi和λ表示液態(tài)水和管束金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)；Rei和Pri表示管內(nèi)液態(tài)水的雷諾數(shù)以及普朗特?cái)?shù)。反映殼側(cè)傳熱性能的無因次準(zhǔn)則數(shù)采用殼側(cè)努塞爾數(shù)Nuo其計(jì)算公式如下：

4 傳熱分析

圖2~圖4給出菱形孔支撐板換熱器以及弓形折流板換熱器在入口流速為6m/s時(shí)XZ平面縱向中心截面的殼程溫度云圖。由圖可知在流動(dòng)充分發(fā)展階段，不同結(jié)構(gòu)換熱器殼側(cè)流體的溫度變化規(guī)律，溫度變化與流動(dòng)方向關(guān)系密切，近壁面處換熱較為劇烈。菱形30°和菱形90°方案在近支撐板孔處出現(xiàn)明顯溫度變化，主要原因是流體流經(jīng)支撐孔時(shí)，流通面積劇烈減小，產(chǎn)生了二次流動(dòng)及射流現(xiàn)象，近壁面流體的擾動(dòng)程度大幅增加，使得管壁和液體之間的邊界層受到破壞，換熱性能得以加強(qiáng)。

圖2 弓形切片溫度云圖

圖3 菱形30°切片溫度云圖

圖4 菱形90°切片溫度云圖

圖5給出了菱形孔支撐板換熱器及弓形折流板換熱器的殼側(cè)努塞爾數(shù)Nuo隨入口流速變化的曲線圖。三種方案的殼側(cè)努塞爾數(shù)Nuo都隨著入口流速的增加而增加，其中兩種菱形孔支撐板換熱器殼側(cè)努塞爾數(shù)Nuo相近，但都大于弓形折流板換熱器，兩種菱形孔支撐板方案的殼側(cè)努塞爾數(shù)Nuo相較于弓形折流板分別提高了52.20%和51.95%，其內(nèi)在機(jī)理是菱形孔支撐板換熱器相較于弓形折流板換熱器將橫向流動(dòng)改變?yōu)榭v向流動(dòng)，同時(shí)因菱形孔的存在使得紊流效果增加，表現(xiàn)出明顯的換熱優(yōu)勢(shì)。

圖5 殼側(cè)努塞爾數(shù)隨入口流速變化

圖6給出了三種方案換熱器的殼側(cè)壓降ΔPo隨入口流速的變化曲線。很明顯三種換熱器的殼側(cè)壓降ΔPo都隨著入口流速的增加而增加，相比弓形折流板換熱器，兩種菱形孔支撐板換熱器的殼側(cè)壓降要更大，且隨著入口流速的增加，這種差距越來越大。分析產(chǎn)生的主要原因是以整圓形板替代弓形折流板后，殼程流體的流通面積減小，使得殼程流體受到的流阻增大。

圖6 殼側(cè)壓降隨入口流速變化

5 結(jié)論

（1）在本文的研究入口流速范圍內(nèi)，兩種菱形孔支撐板方案的殼側(cè)努塞爾數(shù)Nuo相較于弓形折流板分別提高了52.20%和51.95%。

（2）菱形孔支撐板換熱器在菱形孔處出現(xiàn)強(qiáng)烈的射流作用，對(duì)邊界層有一定的削減，從而起到強(qiáng)化傳熱的效果。

（3）使用整圓形的菱形孔支撐板代替弓形折流板可以將殼側(cè)的流體流動(dòng)方向由橫向流改變?yōu)榭v向流，菱形孔支撐板換熱器表現(xiàn)出一定的換熱優(yōu)勢(shì)。

[1] 王英雙.縱流管殼式換熱器流動(dòng)與傳熱性能的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[2] 周兵,陳亞平,王偉晗.管殼式換熱器殼側(cè)強(qiáng)化傳熱與管束支撐方式的研究進(jìn)展[J].節(jié)能,2009,320(03):0017-0021.

[3] 吳志偉,錢才富,王薪.螺旋波紋管及其換熱器的發(fā)展綜述[J].化工機(jī)械,2018,45(01):1-5.

[4] Yang J,Liu W. Numerical investigation on a novel shell-and-tube heat exchanger with plate baffles and experimental validation[J]. Energy Conversion & Management,2015,101:689-696.

[5] 王珂,王永慶,董曉琳等.新型管殼式換熱器三維流場(chǎng)分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2011,32(12):2114-2116.

[6] 王翠華,戴玉龍,吳劍華等.網(wǎng)狀孔板縱向流換熱器殼程流體流動(dòng)及換熱特性的數(shù)值模擬[J].過程工程學(xué)報(bào), 2011,11(05):736-741.

[7] 李靜,劉建勇,羅東曉.新型縱向流一體式翅片管換熱性能數(shù)值模擬[J].化學(xué)工程,2010,38(07):18-21+30.

Study on Flow and Heat Transfer Performance of Rhombic Hole Support Plate Heat Exchanger

Zhu Xing, Dong Cong*, Huang Yongli, Du Haibo, Hu Maochao

( School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Zhejiang Hangzhou 310023 )

As the most common traditional shell and tube heat exchanger, the segment baffle heat exchanger is prone to fouling and excessive flow resistance, etc. In this paper, the flow and heat transfer performance of rhombic hole support plate heat exchanger are studied by numerical simulation method. The results show that the shell-side Nusserl number of the two rhombic hole support plate schemes increases by 52.20% and 51.95%, respectively, compared with the segment baffle schemes, providing a design reference for the optimization and selection of the heat exchanger with longitudinal flow in shaped holes.

Shell and tube heat exchanger; Rhombic hole support plate; CFD; Heat transfer enhancement

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.032

TK172

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1671-7988(2021)07-98-03

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朱行（1994-），男，浙江溫州人，碩士，就讀于浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，研究方向?yàn)樾履茉雌嚳刂萍夹g(shù)。

董聰，男，浙江溫州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，就職于浙江科技學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，研究方向?yàn)閾Q熱器強(qiáng)化傳熱和熱工設(shè)備自動(dòng)控制。