結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器性能影響的研究

范雅婷，雷勇剛，李亞子，杜保存

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

近年來(lái)，提高能源利用率，響應(yīng)節(jié)能減排的號(hào)召成為我國(guó)新時(shí)代的主題。換熱器是電力、冶金、食品等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的設(shè)備，提高換熱器的換熱效率可以達(dá)到用更少的能耗滿足同樣換熱量的效果。其中，管殼式換熱器應(yīng)用更廣，具有抗壓性能強(qiáng)、適應(yīng)的工況范圍廣、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、加工制造比較容易等優(yōu)點(diǎn)。其設(shè)計(jì)信息和數(shù)據(jù)相對(duì)完整，技術(shù)先進(jìn)[1-3]。工業(yè)上普遍采用的管殼式換熱器是帶有弓形折流板的傳統(tǒng)換熱結(jié)構(gòu)，然而沿程壓降大、存在流動(dòng)死區(qū)、傳熱效率低、結(jié)垢嚴(yán)重等問題成為了制約其發(fā)展的重要因素。因此，研究和設(shè)計(jì)高效低阻殼側(cè)受限外流的結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)代換熱器的必然趨勢(shì)[4-6]。為解決傳統(tǒng)弓形折流板換熱器存在的問題，以減小壓降，優(yōu)化殼側(cè)受限外流，提高傳熱效率，眾多學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)形式提出了許多改進(jìn)方法[4，7-8]。DONG et al[9]提出了一種折流板環(huán)向重疊三折螺旋折流板殼管式換熱器，分析了折流板對(duì)殼體側(cè)螺旋流、二次渦流和泄漏流的影響，比較了新型換熱器與弓形折流板換熱器的傳熱性能和綜合性能。結(jié)果表明它不僅繼承了環(huán)向重疊螺旋折流板方案的所有優(yōu)點(diǎn)，而且用最少的桿支撐斜折流板，簡(jiǎn)化了跨越管的制造過程，有效地抑制了相鄰折流板之間三角形區(qū)域的反向泄漏，具有更好的傳熱性能和綜合性能。DU et al[10]提出了變橢圓管布置的連續(xù)螺旋折流板換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，管陣角度對(duì)流動(dòng)和傳熱特性有顯著影響，優(yōu)化后的管束布置可以充分改善發(fā)展段的傳熱，在一定程度上減小了管束后側(cè)的渦流。同時(shí)，改變管陣角度的優(yōu)化橢圓管布置能夠在泵功消耗略有增加的情況下提高換熱效果，特別是在雷諾數(shù)相對(duì)較小的情況下。WEN et al[11]采用粒子圖像測(cè)速儀(PIV)對(duì)螺旋折流板殼管式換熱器的殼側(cè)流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了一種新型折流板：用折疊折流板代替平流板，將扇形平板折流板的兩條直邊的上半部分一里一外折起特定角度，相鄰兩折流板互相連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的換熱器速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的場(chǎng)協(xié)同角較小，換熱器綜合性能提高。MARZOUK et al[12]對(duì)在管側(cè)安裝兩種不同釘數(shù)、不同間距的金屬線釘和五種不同的插片分布形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在忽略壓降影響的情況下，所有管內(nèi)均插入長(zhǎng)度為5 mm，數(shù)量為19枚的釘子是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。李巖等[13]利用不同規(guī)格螺旋折流板換熱器試驗(yàn)設(shè)備所得傳熱數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出傳熱系數(shù)變化規(guī)律，確定出不同角度的折流板傳熱修正系數(shù)，將修正系數(shù)引入傳熱計(jì)算公式中，解決了螺旋折流板換熱器的傳熱計(jì)算問題，改進(jìn)了傳統(tǒng)換熱器總傳熱系數(shù)低、殼程存在流動(dòng)死區(qū)、所需換熱面積大等不良因素。

本文研究了不同百葉折流板傾角α(30°，45°，60°，75°)、不同相鄰百葉折流板組夾角β(15°，45°，75°)對(duì)交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器性能的影響，通過建立三維數(shù)值模型，開展了流動(dòng)特性與阻力性能的研究，并與弓形折流板換熱器的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

1 物理模型

交錯(cuò)百葉折流板換熱器由外殼、管束和百葉折流板組三部分組成，如圖1所示。折流板靠近殼側(cè)入口處定義為第一組折流板，削減25%的弓形折流板平均分為3份，以每一個(gè)水平折流片中心點(diǎn)所在的x軸為旋轉(zhuǎn)軸，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度，將旋轉(zhuǎn)后的三個(gè)折流片固定到折流圈的導(dǎo)軌中，形成一個(gè)折流板組。第二組折流板組是在第一組折流板組的基礎(chǔ)上，繞z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角度。每組折流板中百葉折流板傾角α、相鄰百葉折流板組夾角β，分別如圖2(a)、圖2(b)所示。換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)具體的取值如下：殼體直徑為20 mm，換熱管束外徑為19 mm，進(jìn)出口直徑為60 mm，管束數(shù)量為37根，折流板組數(shù)為12組，換熱管有效長(zhǎng)度為1 950 mm，百葉折流板傾角α為30°，45°，60°，75°，相鄰百葉折流板組夾角β為15°、45°、75°，折流板間距為150 mm，百葉折流板寬度為45 mm，換熱管排列方式為正三角布置，換熱管間距為25 mm.

圖1 交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器模型Fig.1 Model of staggered louver baffle shell and tube heat exchanger

圖2 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 Structural parameters of heat exchanger

2 計(jì)算方法

采用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)新型換熱器殼側(cè)流體的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、流動(dòng)及傳熱性能進(jìn)行分析研究。其三維穩(wěn)態(tài)湍流控制方程如下：

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)

本文計(jì)算以水為流動(dòng)介質(zhì)，按常物性考慮。計(jì)算模型的邊界條件設(shè)定如下。

入口邊界條件：入口為速度入口，質(zhì)量流量為2～6 kg/s，溫度為323 K，入口流速根據(jù)質(zhì)量流量和殼側(cè)入口面積具體計(jì)算得出。

出口邊界條件：出口為壓力出口邊界條件。

固體壁面：換熱器內(nèi)壁面為絕熱邊界條件；百葉折流板表面為流固耦合界面；換熱管管壁溫度恒為298 K；固體壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法、無(wú)滑移邊界條件，所有導(dǎo)熱固體均為鋼制材料，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，動(dòng)量、能量以及湍流參數(shù)的求解采用QUICK格式。

為保證計(jì)算準(zhǔn)確可靠，精確捕捉換熱管束和折流板處的流動(dòng)特性，在計(jì)算過程中對(duì)管壁和折流板處網(wǎng)格進(jìn)行邊界層自適應(yīng)加密。在劃分網(wǎng)格時(shí)，建立了5套不同細(xì)密程度的網(wǎng)格以確定適用于計(jì)算的最優(yōu)網(wǎng)格。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

本文采用如 “45-75-△” 的表達(dá)方式來(lái)代表不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的交錯(cuò)百葉折流板換熱器，其中，第1部分為百葉折流板傾角α；第2部分為相鄰百葉折流板組夾角β；第3部分為布管方式，“△”代表?yè)Q熱管束正三角布置。從殼側(cè)壓降和綜合性能兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，以求獲得綜合性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 百葉折流板傾角α對(duì)交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器性能的影響

本節(jié)對(duì)相鄰百葉折流板組夾角β為45°，百葉折流板傾角α從30°～75°變化(30°、45°、60°、75°)，采用正三角形布管，管側(cè)流體入口質(zhì)量流量在2～6 kg/s范圍內(nèi)變化的交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1.1殼側(cè)壓降分析

圖3是不同百葉折流板傾角下的交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器和傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器殼側(cè)壓降與殼側(cè)質(zhì)量流量的關(guān)系圖。由圖3可知，在本文的研究范圍內(nèi)，不同百葉折流板傾角下的交錯(cuò)百葉折流板換熱器和弓形折流板換熱器的殼側(cè)壓降隨著質(zhì)量流量的增加而增加，并且弓形折流板的殼側(cè)壓降隨質(zhì)量流量的增加幅度更大。對(duì)于不同百葉折流板傾角下的交錯(cuò)百葉折流板壓降明顯低于弓形折流板管殼式換熱器，且隨百葉折流板傾角α的增加而降低。因此與弓形折流板換熱器相比，百葉折流板傾角為75°時(shí)壓降最明顯，降低了79.26%～79.61%.

圖3 殼側(cè)壓降與殼側(cè)入口質(zhì)量流量關(guān)系圖Fig.3 Pressure drop vs inlet velocity in shell side

這是因?yàn)楫?dāng)百葉折流板的傾斜度變大時(shí)，流通截面積增大，流體通過百葉折流板時(shí)的阻力減小，流體逐漸橫向沖刷管束，有利于壓降減??；由于百葉折流板之間的間距是定值，且換熱器殼側(cè)尺寸相同，故流通截面積(百葉折流板的垂直面)與角度α成正弦變化，當(dāng)折流板傾角α逐漸增大時(shí)，流通截面積逐漸增大但增幅減緩，其壓降逐漸減小，與弓形折流板換熱器相比，不同百葉折流板傾角的換熱器壓降降幅逐漸增加但變化緩慢。

3.1.2綜合性能分析

圖4為不同百葉折流板傾角下的交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器和傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器單位泵功傳熱系數(shù)與殼側(cè)質(zhì)量流量的關(guān)系圖。從圖中可以看出，在本文的研究范圍內(nèi)，隨著殼側(cè)質(zhì)量流量的增加，不同百葉折流板傾角下的換熱器和弓形折流板換熱器單位泵功傳熱系數(shù)逐漸下降；且在不同質(zhì)量流量下，不同百葉折流板傾角下的換熱器所消耗的泵功更低。當(dāng)百葉折流板傾角α為45°時(shí)，新型換熱器的綜合性能最好，比弓形折流板換熱器提升了79.49%～118.70%.

圖4 單位泵功下的傳熱系數(shù)與殼側(cè)入口質(zhì)量流量的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the heat transfer coefficient per unit pump power and the mass flow rate of the shell side inlet

當(dāng)百葉折流板傾角α大于45°時(shí)，單位泵功傳熱系數(shù)隨傾角α的增大而減小。這是因?yàn)榻诲e(cuò)百葉折流板將弓形折流板平均分成3份，并將每份旋轉(zhuǎn)一定角度，使殼側(cè)流體流過折流板時(shí)可通過折流片之間的縫隙流動(dòng)，阻力減??；形成的斜向流不斷沖刷換熱管壁，有利于削薄邊界層的厚度，增加折流板背面的換熱效果。

3.2 相鄰百葉折流板組夾角β對(duì)交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器性能的影響

對(duì)百葉折流板傾角α固定為45°，相鄰百葉折流板組夾角β分別為15°、45°、75°，采用正三角形布管，管側(cè)流體入口質(zhì)量流量在2～6 kg/s范圍內(nèi)變化的交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器進(jìn)行研究。

3.2.1殼側(cè)壓降分析

圖5是不同相鄰百葉折流板組夾角下的交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器和傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器殼側(cè)壓降與殼側(cè)質(zhì)量流量的關(guān)系圖。由圖5可知，在本文的研究范圍內(nèi)，相鄰百葉折流板組不同夾角下的換熱器和弓形折流板換熱器的殼側(cè)壓降隨著質(zhì)量流量的增加而增加，并且弓形折流板的殼側(cè)壓降隨質(zhì)量流量增加的幅度更大。對(duì)于相鄰百葉折流板組不同夾角下的交錯(cuò)百葉折流板換熱器，它們的壓降明顯低于弓形折流板換熱器，且隨相鄰百葉折流板組夾角β的增加而增加。與弓形折流板換熱器相比，相鄰百葉折流板組夾角β為15°時(shí)壓降最明顯，降低幅度為76.65%～77.12%.

圖5 殼側(cè)壓降與殼側(cè)入口質(zhì)量流量關(guān)系圖Fig.5 Pressure drop vs inlet velocity in shell side

順著管束方向，弓形折流板相鄰兩折流板疊加起來(lái)的面積占滿整個(gè)換熱器縱向截面，而交錯(cuò)百葉折流板將平均分成3份的弓形折流板，旋轉(zhuǎn)一定角度，由于這個(gè)旋轉(zhuǎn)角度小于90°，所以一定會(huì)留有縫隙，而殼側(cè)流體從這個(gè)縫隙流動(dòng)所消耗的阻力會(huì)非常小。除此以外，百葉折流板也有一定的傾斜角度，兩折流片之間的縫隙經(jīng)旋轉(zhuǎn)一定角度后，同樣會(huì)留有縫隙，減小了流體的阻力。當(dāng)相鄰百葉折流板組夾角β變大時(shí)，相鄰兩組折流板加起來(lái)覆蓋的面積變大，使相鄰兩組折流板形成的缺口面積減小。當(dāng)流體流動(dòng)經(jīng)過折流板時(shí)，流體阻力更大。

3.2.2綜合性能分析

圖6是相鄰百葉折流板組不同夾角下的交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器和傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器單位泵功傳熱系數(shù)與殼側(cè)質(zhì)量流量的關(guān)系圖。從圖中可以看出，在本文的研究范圍內(nèi)，隨著殼側(cè)質(zhì)量流量的增加，相鄰百葉折流板組不同夾角下相鄰百葉折流板換熱器和弓形折流板換熱器的單位泵功傳熱系數(shù)逐漸下降；且在不同質(zhì)量流量下，相鄰百葉折流板組不同夾角下的換熱器的單位泵功傳熱系數(shù)均高于弓形折流板換熱器，也就意味著，為獲得相同的換熱量，交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器所消耗的泵功更低。當(dāng)相鄰百葉折流板組夾角β為45°時(shí)，該換熱器的綜合性能最好。與弓形折流板換熱器相比，相鄰百葉折流板組夾角β為45°時(shí)，綜合性能提高79.49%～118.70%.

圖6 單位泵功下的傳熱系數(shù)與殼側(cè)入口質(zhì)量流量的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the heat transfer coefficient per unit pump power and the mass flow rate of the shell side inlet

4 結(jié)論

1) 交錯(cuò)百葉折流板換熱器的殼側(cè)壓降隨百葉折流板傾角α的增大逐漸降低，隨相鄰百葉折流板組夾角β的增大逐漸增加。與弓形折流板換熱器相比，百葉折流板傾角為75°時(shí)壓降最明顯，降低了79.26%～79.61%；相鄰百葉折流板組夾角為15°時(shí)壓降最明顯，降低幅度為76.65%～77.12%.

2) 當(dāng)百葉折流板傾角α大于45°時(shí)，交錯(cuò)百葉折流板換熱器的單位泵功換熱系數(shù)隨傾角α的增大而減小。與弓形折流板換熱器相比，百葉折流板傾角和相鄰百葉折流板組夾角都為45°時(shí)，新型換熱器的綜合性能最好，提升了79.49%～118.70%.