結構參數對折邊式蜂窩夾套傳熱性能的影響

張正峰 董金善 史為帥 劉林波

（南京工業(yè)大學機械與動力工程學院）

在石油化工行業(yè)中，反應器屬于一種比較常用的化工容器，對反應器進行冷卻或加熱是常見的操作之一。蜂窩夾套作為一種新型、高效的夾套結構，在石油化工、醫(yī)藥等行業(yè)廣泛應用［1］。

蜂窩夾套雖有優(yōu)秀的傳熱性能和力學構造，但其結構較為復雜，導致過去很少有人對它進行深入研究。但是近年來，有限元軟件技術的快速發(fā)展，為蜂窩夾套研究和模擬計算打下了良好的基礎［2，3］，特別是CFD技術在夾套內部流動特性的模擬分析研究已取得了顯著的成果［4，5］。丁昌勇和尹俠研究對比了蜂窩式和整體式夾套薄膜蒸發(fā)器的筒體壓力水平，得出可以通過適當減小筒體和夾套的厚度來降低生產成本［6］。張立垛和馬玉龍將蜂窩夾套應用于薄膜蒸發(fā)器上，使得薄膜蒸發(fā)器的壁厚得以減小，既保證其強度和剛度，又提高其傳熱效率，同時分析了折邊式和拉撐式蜂窩夾套的結構特點，得出了蜂窩拐角設計的取值在40～45°之間［7］。杜海英等分析了薄膜蒸發(fā)器在生產制造和使用過程中可能出現的隱患失效形式，并提出合理的改善措施，利用分析軟件ANSYS對蜂窩夾套強度的影響因素進行了分析［8，9］。范琦和尹俠從蜂窩形式、間距等特性參數考慮，采用模擬的方法對其換熱性能和壓降進行分析，得出蜂窩間距對傳熱性能影響很大的結論；蜂窩間距越小，換熱性能越好，而排列方式要選擇插排的形式［10～12］。Belytschko T B和Kennedy J M對夾套反應釜結構進行數值模擬研究，得出流體的介質特性和流速大小對傳熱系數的影響規(guī)律，可為工程設計提供一定的參考［13］。Fan Q和Yin X研究了蜂窩高度對于壓降和傳熱的影響，得出蜂窩高度是影響折流板式蜂窩夾套壓降和傳熱的主要因素［14］。

為了研究工程應用中折邊式蜂窩夾套的傳熱性能，筆者采用FLUENT 17.0軟件分別對三角形和正方形排列的折邊式蜂窩夾套和整體夾套內的流場進行模擬分析。

1 模型與計算方法

1.1 模型簡化處理

折邊式蜂窩夾套設備結構如圖1所示，夾套介質為導熱油，內筒體介質為水。筒體內直徑1 300mm，高度1 515mm，材料為S22053；夾套內直徑1 380mm，高度1 410mm，材料為S22053；蜂窩的其他結構尺寸見表1。

表1 蜂窩夾套結構尺寸

圖1 折邊式蜂窩夾套設備結構示意圖

圖1中的蜂窩夾套按照三角形排列時，采用Solid Works軟件建立夾套簡化結構1/2模型如圖2所示。

圖2 折邊式蜂窩夾套結構1/2簡化模型

1.2 模型網格劃分

利用FLUENT前處理器ICEM CFD 17.0對蜂窩夾套進行網格劃分處理，采用六面體核心方法劃分網格，并對蜂窩和夾套邊緣區(qū)域進行網格加密處理，以增加計算精度［15］。劃分后的折邊式蜂窩夾套半模型網格數量約為147萬，經網格無關性驗證后，滿足精度的要求。最后將處理的網格文件.msh導入到FLUENT中計算分析。劃分兩種排列方式的蜂窩夾套網格模型如圖3所示。

圖3 折邊式蜂窩夾套結構的網格模型

1.3 設置邊界條件

進口邊界為導熱油流速進口，設置速度依次為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0m/s，溫度為160℃；出口設置為自由出口。夾套內壁面由于無法準確獲得筒內壁的對流給熱系數，邊界條件設定熱通量20kW/m2［16］；夾套外壁面設為絕熱面（T=300K）；對稱面設置為對稱邊界。

1.4 求解器設置

在分析夾套結構內流場變化時，為了使模型在計算后能更好地達到收斂性，進一步提高計算結果的精度，本章節(jié)模型的求解器設置為壓力速度耦合求解器，同時選用SIMPLE算法進行求解，并將流體三大基本控制方程離散格式均設置成二階迎風差分格式［17］，殘差精度設定為10-6。同時，在截面Y=0.50m處對流體速度進行監(jiān)視，在截面X=0.45m處對流體溫度進行監(jiān)視，當所監(jiān)視流體速度和流體溫度曲線的變化趨于穩(wěn)定并達到了收斂狀態(tài)，則認為計算結果的準確度符合要求。

2 不同夾套流場計算分析

2.1 不同夾套的3D流線圖分析

為觀察流體介質在折邊式蜂窩夾套和普通整體夾套結構內部流動分布情況，選取3種不同結構模型形式下的流體流動3D流線圖，觀察分析流體介質流向走勢的異同。不同形式夾套3D內流線圖宏觀分布如圖4所示。

圖4 不同形式夾套結構3D流線圖

從圖4可以看出，三角形排列的折邊式蜂窩夾套和正方形排列的折邊式蜂窩夾套中，流體在夾套內部流動時與蜂窩發(fā)生相互碰撞，流體的流動速度和方向都發(fā)生改變，不會產生較大面積的渦流現象；三角形排列的折邊式蜂窩夾套結構內流體的流動變化比正方形排列的夾套結構更為復雜；在整體夾套結構中，由于無蜂窩的擾流影響，流體的流動比較單一，在夾套的中上部區(qū)域產生了多個大面積的渦流區(qū)域，不利于流體之間的換熱。

2.2 夾套的速度流場分析

為了直觀了解不同結構形式下模型的整體速度和內部速度的分布情況，分別選取模型整體速度流場分布云圖（圖5a1～c1）、截面Y為0.1、0.4、0.8、1.2m和截面Z=0.67m處的局部速度流場分布云圖（圖5a2～c2）進行分析。

圖5 不同形式夾套速度流場分布云圖

由圖5a1～c1可知，在流體進、出口邊緣區(qū)域的速度均有顯著的波動。其中，三角形排列的蜂窩夾套速度波動最為明顯，正方形排列的蜂窩夾套速度波動次之，整體式夾套的速度波動最小。從整體速度大小的情況來看，三角形和正方形排列的折邊式蜂窩夾套內流體流動速度比整體夾套內流體速度小。分析認為，由于折邊式蜂窩的存在，使得流體在夾套內的流動受阻，流體流動的能量損失較大，從而使得流速變小。

由圖5a2～c2可知，在三角形排列和正方形排列的夾套內、外壁邊緣和蜂窩邊緣區(qū)域速度大小比較均勻，而整體夾套內流體只有在夾套的上下端才出現明顯的速度改變。這是由于蜂窩的存在，使得流體穿流過該處的流通區(qū)域時，流體與具有一定錐度的蜂窩相互發(fā)生碰撞，流體流速降低，使得流體與筒體內壁面、蜂窩內壁面和夾套壁面接觸充分，促進冷、熱流體進行熱量交換，提升傳熱效果。而整體夾套沒有蜂窩，致使流體在中部區(qū)域產生了大面積渦流現象，造成了此處的流速較小，甚至有停滯的現象。

比較三角形與正方形排列的夾套局部速度分布云圖可以看出，流體介質在三角形排列的蜂窩夾套內流動情況比在正方形排列的更均勻。這是由于蜂窩交叉排列的影響，三角形排列的折邊式蜂窩夾套結構中的蜂窩排列疏密度比正方形排列結構中的蜂窩排列得更加密集，流體介質與蜂窩碰撞的次數更加頻繁，加強了蜂窩的擾流效果，從而有助于提升傳熱效果。因此，三角形排列的折邊式蜂窩夾套結構傳熱效果更好。

2.3 夾套的溫度場分析

為了直觀了解不同結構形式下蜂窩夾套模型的整體溫度和內部溫度變化情況，分別選取模型整體溫度場分布云圖（圖6a1～c1）、截面Y為0.1、0.4、0.8、1.2m和截面Z=0.67m處的局部溫度場分布云圖（圖6a2～c2）進行分析。

由圖6a1～c1可知，兩種排列方式的折邊式蜂窩夾套中，由于蜂窩的存在，使得夾套內流體與筒體內壁的接觸更加充分，除了進口處出現局部的高溫區(qū)域以外，夾套的其他部分溫度分布相對均勻。整體式夾套中，除流體進口溫度過高以外，在夾套中上部區(qū)域，出現了大面積的局部低洼區(qū)域。這是由于流體流動方向沒有變化，使得流體介質與夾套無法進行良好的換熱，導致整體式夾套的溫度分布不均勻，在中間區(qū)域出現局部低溫，這與整體夾套內的3D流線流動產生的渦流區(qū)域相一致。正是流動渦流的存在，致使該區(qū)域的流體造成大面積停滯，從而導致此處的冷、熱流體換熱效果不明顯，傳熱性較差。

圖6 不同形式夾套溫度場分布云圖

由圖6a2～c2可知，蜂窩夾套中由于蜂窩的存在，在不同截面的溫度分布也相對均勻；整體式夾套中，溫度分布不均勻，尤其在夾套的頂部和中間偏上部位分別出現溫度過高和低洼的區(qū)域。

3 結構參數對三角形排列折邊式蜂窩夾套傳熱性能的影響

3.1 蜂窩間距對傳熱性能的影響

對蜂窩間距L分別為140、150、160、170mm的4組模型結構進行傳熱性能分析，得出不同蜂窩間距時速度流場分布云圖（圖7）和溫度場分布云圖（圖8）。

由圖7可知，隨著蜂窩間距的不斷增大，蜂窩整體的最大流速呈增大的趨勢。分析認為，這是因為隨著蜂窩間距的增大，蜂窩的分布密度變得稀疏，使得流動流體的損失在減小，從而使得流體的流速增加。但是，隨著蜂窩分布密度的減小，使得蜂窩夾套內流體的擾流效果變差，使得流體流動的死角區(qū)域增加，不利于夾套的換熱。

圖7 不同蜂窩間距時速度流場分布云圖

由圖8可知，在設備的進口處均出現了溫度過高現象，其中在蜂窩間距為140mm時，溫度過高區(qū)域最小，且隨著蜂窩間距不斷增大，溫度過高區(qū)域不斷增大。分析認為，這是因為隨著蜂窩間距的增大，蜂窩排列越稀疏，蜂窩的擾流性變差，流體介質與夾套和筒體內壁面接觸越加不充分，致使換熱效果變差。

圖8 不同蜂窩間距時溫度場分布云圖

3.2 蜂窩錐度對傳熱性能的影響

對蜂窩錐度α為40、45、50、60°的4組模型結構進行傳熱性能分析，得到不同蜂窩錐度時速度流場分布云圖（圖9）和溫度場分布云圖（圖10）。

圖9 不同蜂窩錐度下速度流場分布云圖

圖10 不同蜂窩錐度下溫度場分布云圖

由圖9、10可知，在設備入口處均出現了速度的波動現象，并且該處均出現不同程度的溫度過高區(qū)域。其中當蜂窩錐度α=45°時，溫度過高區(qū)域最小，溫度云圖相對較均勻；當蜂窩錐度α=50°時，溫度過高區(qū)域最大；其他蜂窩錐度下的溫度過高區(qū)域處于以上兩種錐度之間。

在工程應用中，蜂窩錐度α一般取40～60°［18］，為了能夠進一步了解蜂窩夾套傳熱特性與蜂窩錐度之間的關系，分別對α為40、45、50、60°4種不同蜂窩錐度的三角形排列的折邊式蜂窩夾套結構進行數值模擬，并進行傳熱計算，得到不同蜂窩錐度下，折邊式蜂窩夾套的夾套側給熱系數隨流量變化的曲線（圖11）。

圖11 不同蜂窩錐度時夾套側給熱系數隨流量的變化

由圖11可知，在α取45°時，折邊式蜂窩夾套的夾套側給熱系數比其他3種錐度的都高，這種錐度的給熱系數最好。在工程應用中，從結構的強度和傳熱方面考慮，折邊式蜂窩夾套的蜂窩錐度宜選45°。

4 結論

4.1 三角形排列的折邊式蜂窩夾套傳熱效果比正方形排列的折邊式蜂窩夾套傳熱效果好；且折邊式蜂窩夾套結構傳熱效果比整體式夾套結構傳熱效果好。

4.2 隨著蜂窩間距不斷減小，夾套側給熱系數不斷增加，蜂窩的擾流效果更好，蜂窩夾套的整體溫度分布更加均勻。在工程設計中，一定的條件下可適當減小蜂窩間距以提升其傳熱效果。

4.3 在工程應用中，當蜂窩錐度為45°時，蜂窩夾套的夾套側給熱系數最好，流動死區(qū)較小且溫度分布較均勻。