新型錐形孔折流板管殼式換熱器數值模擬研究

楊 鵬 陳忠海

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

管殼式換熱器作為重要的換熱設備，因結構簡單、運行可靠和易于維護等特點而廣泛應用于石油化工、冶金電力、能源動力等領域，最高可達到整個換熱器市場的70%[1].

管殼式換熱器殼側流動結構是影響換熱器的關鍵因素，也是管殼式換熱器的研究重點，以傳統的弓形折流板換熱器為代表的管殼式換熱器，得到了長足的發展，在弓形折流板的基礎上進行了許多的改進和優化，并提出了很多的管側支撐結構，如雙弓形折流板，曲面折流板，螺旋折流板，折流桿，整圓形折流板等.眾多學者在這個領域進行了大量的理論分析、數值模擬和實驗研究.華媛[2]提出一種新型弓形折流板結構(扇形夾角折流板)，通過改變板間距和扇面夾角比較換熱和流動情況.喬智晶[3]發現在弓形折流板換熱器殼側工質呈“Z”形流動，在缺口處易形成湍流，在折流板背面形成類似三角形傳熱死區.劉琪[4]對大小孔折流板與給定波紋管組合而成的換熱器進行了流體流動與傳熱研究.

基于上述背景提出種錐形孔折流板管殼式換熱器,這種換熱器的特點是：(1)能有效的支撐管束從而避免管束流體發生誘導振動；(2)折流板小孔類似于錐形形噴嘴可使流體產生射流，一定流速的流體沖刷管束外壁，從而增加流體湍流度，減小管壁液體邊界層，有效強化了傳熱.本文利用Gambit建立了錐形孔折流板管殼式換熱器的物理模型，使用Fluent對其進行數值模擬，研究其傳熱性能以及流動性能，并將之與傳統的弓形折流板換熱器進行比較.

1 數值模擬理論

1.1 湍流模型

數值模擬中湍流模型使用k-ε標準模型[5]，標準k-ε方程是在動量方程中引入了兩個新變量k(湍流動能)與ε(湍流耗散率)，其中這兩個變量的方程為：

(1)

(2)

2 錐形孔折流板換熱器傳熱模型

2.1 物理模型

表1 錐形孔折流板換熱器結構參數

圖1 錐形孔折流板換熱器 圖2 弓形折流板換熱器

圖3 錐形孔折流板內部結構圖 圖4 殼側流場側面示意圖

圖5 錐形孔三維示意圖 圖6 錐形孔平面示意圖

2.2 邊界條件的設定及其簡化

表2 邊界條件

換熱器管程介質為水，殼程介質為空氣，簡化處理[6]：殼體壁面采用不可滲透，無滑移絕熱邊界，殼側流體穩態不可壓縮，不考慮折流板與管道與殼體的間隙.

表3 換熱器管殼程流體物性參數

2.3 網格的劃分及求解設置

利用Gambit軟件對三維管殼式換熱器進行網格劃分，網格數為2018206個單元，壓力速度耦合使用SIMPLE算法、動量、能量、湍流動能和湍耗散率離散采用二階迎風格式[7].

3 模擬結果及其分析

3.1 速度場分析

圖7和圖8分別是弓形折流板和錐形孔折流板換熱器縱截面上的速度矢量圖，如圖7所示，弓形折流板換熱器殼側流體呈Z字型流動，且沿Z字型流體流速較其他位置高.在靠近折流板拐角處有流動死區.如圖8所示錐形孔折流板換熱器殼側流體為縱向流體且經過錐形孔時流速增大，而后逐漸減小.殼側流體充分沖刷管束，且無明顯流動死區.

圖7 弓形折流板換熱器縱截面速度矢量圖 圖8 錐形孔折流板換熱器縱截面速度矢量圖

3.2 溫度場分析

圖9和圖10分別為弓形折流板換熱器和錐形孔折流板換熱器縱截面上的溫度云圖.如圖10所示，錐形孔折流板換熱器殼側流體溫度縱向分布均勻，而圖7弓形折流板換熱器殼側流體，縱向溫度分布變化大，且有換熱死區，直觀上換熱效果較弓形折流板換熱器更好.

圖9 弓形折流板換熱器縱截面溫度云圖 圖10 錐形孔換熱器縱截面溫度云圖

3.3 壓力場分析

圖11和圖12分別為弓形折流板換熱器和錐形孔折流板換熱器的壓力云圖，如圖11所示，弓形折流板換熱器經過折流板時，由于存在換熱死區，拐角處出現低壓區.如圖12所示，殼側流體入口壓降開始較弓形折流板大，在經過錐形孔時壓降較大，并沿著流體方向逐漸減小.

圖11 弓形換熱器縱截面壓力云圖 圖12 錐形孔折流板換熱器縱截面壓力云圖

4 換熱性能比較分析

換熱系數根據以下公式求出：

(3)

(4)

(5)

A=NπDL

(6)

其中Cp為比熱容[J·(kg·℃)-1]，m1、m2殼側和管側的進出口流量,A為換熱面積，T1、T4、T3、T2分別為管殼側進口和出口工質的溫度，N為換熱管數量,D為換熱管直徑,L為換熱管長度.

表4 不同換熱器的殼程平均換熱系數

5 結 語

1)弓形折流板換熱器殼側流體在經過折流板時，由于受到折流板的阻撓，其流場分布呈Z字形，在折流板一側產生流動死區，而錐形孔折流板換熱器的流場分布程射流狀，射流狀態下的流體流速較大，且經過錐形孔時，殼側流體噴射沖刷管束的面積較大.

2)弓形折流板換熱器由于殼側流體對管束橫向沖擊較多，管束橫向振動較大，而錐形孔折流換熱器殼測流體沿管束縱向流動，管束承受壓降小，對管束振動較少.

3)綜合分析及計算得出錐形孔折流板換熱器換熱系數略大于傳統弓形折流板換熱器換熱系數，換熱效果優于弓形折流板換熱器.