基于正交試驗(yàn)的管殼式換熱器折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

李德濤 虞 斌 田文文 錢啟兵

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院）

管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠及傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工及冶煉等領(lǐng)域。折流板是管殼式換熱器不可缺少的部件，影響著換熱器的傳熱、殼程壓降及流動等特性，當(dāng)換熱管較長時，折流板可有效支撐管束，提高其剛度，防止管束振動［1］。

文獻(xiàn)［2］指出，折流板的缺口高度h一般選取殼程圓筒內(nèi)徑的20%～45%，折流板缺口高度的變化必定會改變流體的流動狀態(tài)，進(jìn)而影響換熱器的傳熱效率。劉敏珊等通過數(shù)值模擬研究了折流板對換熱器性能的影響，發(fā)現(xiàn)殼程壓降和換熱系數(shù)隨著折流板缺口高度的增大而減?。?］。孫立勇研究發(fā)現(xiàn)流速相同時，折流板缺口高度越大，換熱器性能系數(shù)越高［4］。

折流板最小間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)徑的1/5且不小于50mm，管束兩端的折流板應(yīng)盡可能布置在殼程進(jìn)出口接管處，其他折流板宜等距布置。張少維等對管殼式換熱器換熱效率的影響因素進(jìn)行了研究，得出折流板間距越大殼程傳熱系數(shù)越小、壓降越小的結(jié)論，并利用Fluent和HTFS計算優(yōu)化出了折流板的最佳間距，提高了對流傳熱系數(shù)［5～7］。Soltan B K等研究了折流板間距對換熱系數(shù)和壓降的影響，提出了折流板間距的最佳選擇方法［8］。

為了減小管殼式換熱器在折流板背風(fēng)側(cè)形成的傳熱死區(qū)，同時降低換熱器的壓降，既能繼承傳統(tǒng)弓形折流板的優(yōu)點(diǎn)，又能有效提升換熱器綜合換熱性能的一種方法就是在折流板上開孔［9］。熊智強(qiáng)等利用CFD對換熱器弓形折流板進(jìn)行開孔對比數(shù)值模擬，結(jié)果表明開孔之后殼程壓降可減小7.3%，傳熱效率可提高5.4%［10］。郭土等采用數(shù)值模擬方法，研究了不同入口速度下折流板開孔前后的殼程流場和溫度場，研究發(fā)現(xiàn)在相同的入口速度下，折流板開孔的換熱器比普通換熱器傳熱效果更好，尤其在低雷諾數(shù)下效果更好［11］。李貴等在單弓形折流板的不同位置進(jìn)行開孔，數(shù)值模擬結(jié)果表明：均勻開孔對減小換熱器殼程壓降效果較好，綜合性能評價因子E更好；在入口流速為0.1m/s時，通過改變開孔位置，殼程壓降可優(yōu)化3%左右［12］。

為提高管殼式換熱器的換熱效率，延長使用壽命［13，14］，筆者對單弓形折流板的缺口高度h、折流板數(shù)量n和折流板開孔孔徑d進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，以期得到折流板對換熱器性能的影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 幾何模型

管殼式換熱器的尺寸和結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照GB/T 151—2014《熱交換器》的要求設(shè)計，殼程內(nèi)徑260mm，殼程總長1 500mm，進(jìn)出口管內(nèi)徑90mm，換熱管外徑24mm，換熱管數(shù)量24根，換熱管間距36mm?；谡哿靼迦笨诟叨萮、折流板數(shù)量n和折流板開孔孔徑d這3個因素，每個因素都考慮3個水平，設(shè)計正交試驗(yàn)因素水平表見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表L9（33）

如果每個因素的每個水平相互搭配進(jìn)行模擬研究，必須做33=27次模擬，將耗費(fèi)許多時間和精力。所以在不影響結(jié)構(gòu)優(yōu)選的前提下考慮減少模擬量，把具有代表性的因素-水平組合保留下來，為此筆者選擇其中9組方案進(jìn)行分析，并分別命名為A、B、C、…、H、I（表2）［15］。

表2 9組方案組合

單弓形折流板換熱器的三維模型相對復(fù)雜，為了簡化計算模型，做如下假設(shè)：流體的密度、粘度系數(shù)及比熱容等均為常數(shù)；流體不可壓縮、各向同性、連續(xù)；忽略流體重力的影響。得到管殼式換熱器三維簡化模型如圖1所示。

圖1 管殼式換熱器三維簡化模型

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬過程中關(guān)鍵的一步，網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響模型的計算收斂速度和結(jié)果的精確程度。筆者采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力好，適合計算較為復(fù)雜的模型。對模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證之后，最終確定當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在400萬左右時即可滿足計算要求。圖2是換熱器網(wǎng)格劃分情況。

圖2 換熱器網(wǎng)格劃分

求解計算采用3D單精度求解器，求解算法采用Pressure Bassed隱式（Implicit）求解，保證收斂的穩(wěn)定性；壓力和速度解耦采用SIMPLE算法；動量、能量及其湍流參量的求解均采用second order windup格式；湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。進(jìn)口采用Velocity-inlet，給定流體速度、溫度300K，進(jìn)口回流條件采用湍流強(qiáng)度和水力直徑（Intensity and Hydraulic Diameter）；出 口 采 用outflow；殼體壁面采用不可滲透、無滑移絕熱邊界，并給定換熱管壁面為恒溫500K；穩(wěn)態(tài)不可壓縮求解。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 壓降

在換熱器中由于折流板的阻礙，使得殼程換熱介質(zhì)阻力增大，最為直觀的體現(xiàn)就是殼程的壓降增大。圖3是不同方案下?lián)Q熱器的殼程壓降。由圖3可以看出，在同一方案下，流速增加時，換熱器殼程壓降增加。當(dāng)換熱介質(zhì)在相同的入口流速6m/s下，折流板缺口高度為95mm時，隨著折流板數(shù)量的增加（即折流板間距減?。?，換熱器的殼程壓降增加了46.76%；缺口高度為75mm時，殼程壓降增加了49.47%；缺口高度為55mm時，殼程壓降增加了115.40%。這是因?yàn)殡S著折流板間距的減小，換熱介質(zhì)流動阻力增加，相應(yīng)的換熱器殼程壓降增大。當(dāng)折流板數(shù)量為4塊時，隨著折流板缺口高度的增加，折流板殼程壓降降低了63.00%；當(dāng)折流板數(shù)量為6塊時，殼程壓降降低了77.57%；當(dāng)折流板數(shù)量為8塊時，殼程壓降降低了75.92%。這是因?yàn)槿笨诟叨仍酱螅魉僭降?，擾動越小；折流板開孔之后原本縱向沖刷換熱管的部分換熱介質(zhì)直接橫向流過折流板，因此降低了流動阻力，導(dǎo)致壓降降低。

圖3 不同方案下?lián)Q熱器的殼程壓降

2.2 表面換熱系數(shù)

圖4是不同方案下?lián)Q熱器的表面換熱系數(shù)。由圖4可以看出，隨著流速的增加，同一方案下表面換熱系數(shù)增加。當(dāng)換熱介質(zhì)在相同的入口流速6m/s下，折流板缺口高度為95mm時，換熱管的表面換熱系數(shù)隨著折流板數(shù)量的增加而增加（增加了9.96%）；缺口高度為75mm時，表面換熱系數(shù)增加了11.00%；缺口高度為55mm時，表面換熱系數(shù)增加了12.10%；這是因?yàn)殡S著折流板數(shù)目的增多，殼程的Z形流動更加接近理想橫流，并且相鄰兩塊折流板之間的通道面積減小，使換熱介質(zhì)橫掠管束的速度增大，換熱系數(shù)增大。當(dāng)折流板數(shù)量為4塊時，表面換熱系數(shù)隨著折流板缺口高度的減小而增加（增加了4.76%）；當(dāng)折流板數(shù)量為6塊時，表面換熱系數(shù)增加了8.30%；折流板數(shù)量為8塊時，表面換熱系數(shù)增加了6.79%；這是因?yàn)檎哿靼迦笨诟叨葴p小時，殼側(cè)換熱介質(zhì)流動趨向理想橫流流動的程度增大，導(dǎo)致表面換熱系數(shù)增加。

圖4 不同方案下?lián)Q熱器的表面換熱系數(shù)

2.3 換熱性能綜合評價

一般情況下，壓降減小時，換熱器的換熱性能也會隨之降低。因此，如果要對換熱器的換熱性能進(jìn)行綜合評價，需要綜合考慮換熱器的換熱系數(shù)和壓降。筆者采用表面換熱系數(shù)與壓降之比（即綜合性能評價因子E）對換熱器的換熱性能進(jìn)行評價。

圖5是不同方案下的綜合性能評價因子。由圖5可以看出，在相同流速下，隨著折流板數(shù)量的增加，綜合性能評價因子E逐漸減小；在相同折流板數(shù)量下，綜合性能評價因子E隨缺口高度的減小而減小，且趨勢逐漸平緩。當(dāng)換熱介質(zhì)入口流速為6m/s時，方案A的綜合性能評價因子E是10.15%，方案I的綜合性能評價因子E是1.89%，方案I的E相較方案A降低了81.38%，說明在9組方案中，方案A的折流板性能參數(shù)組合搭配相對而言是最好的。

圖5 不同方案下的綜合性能評價因子

2.4 正交試驗(yàn)分析

選取換熱介質(zhì)入口流速6m/s時的綜合性能評價因子E為正交試驗(yàn)分析的指標(biāo)，與原始數(shù)據(jù)一起進(jìn)行分析，多因素試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3。從表3中可以看出，折流板缺口高度h、折流板數(shù)量n與折流板開孔孔徑d的極差分別為6.18、2.56、0.62，說明折流板缺口高度對換熱器的換熱效果影響最大，是主要的影響因素；正交試驗(yàn)得到的換熱器換熱效果最優(yōu)參數(shù)組合為：折流板缺口高度h=95mm、折流板數(shù)量n=4塊、折流板開孔孔徑d=8mm。

表3 多因素試驗(yàn)方案與結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 換熱器殼程壓降和換熱管的表面換熱系數(shù)隨著折流板缺口高度的減小而增加，隨著折流板數(shù)量的增加而增加。

3.2 綜合性能評價因子隨著折流板缺口高度的減小而減小，隨著折流板數(shù)量的增加而減小。

3.3 通過正交試驗(yàn)分析得到，折流板缺口高度對換熱器的換熱效果影響最大，是主要的考慮因素；而折流板開孔孔徑對換熱效果的影響是三因素中最小的；正交試驗(yàn)分析得到，當(dāng)折流板缺口高度h=95mm、折流板數(shù)量n=4塊和折流板開孔孔徑d=8mm時，換熱器的換熱效果最好。