劉敏珊，許偉峰，靳遵龍，王永慶，王 丹

(鄭州大學(xué) 河南省過程傳熱與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450001)

0 引言

針對傳統(tǒng)管殼式換熱器的缺點(diǎn)［1-3］，如殼程流體流動(dòng)存在流動(dòng)死區(qū)、流阻大、傳熱系數(shù)較低、易結(jié)垢和振動(dòng)等，科研人員提出螺旋折流板換熱器的概念，并由ABB 公司于1994 年實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化［4］．與弓形折流板換熱器相比，螺旋折流板換熱器殼程流體呈螺旋狀流動(dòng)，不但能夠很好地解決弓形折流板換熱器存在的問題;同時(shí)，螺旋流動(dòng)增加了殼程流體流動(dòng)的擾動(dòng)，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果［5］．目前，工程中由于受螺旋面加工工藝的限制，大都采用若干塊橢圓形或扇形平板搭接成近似的螺旋曲面． Lutcha 等［6］設(shè)計(jì)了1/4 螺旋折流板換熱器，但此方案較適合于正方形布管．陳亞平等［7］提出了一種適合于正三角形排列布管的三分螺旋折流板方案． 由于折流板是由橢圓形或扇形平板連續(xù)搭接形成的近似螺旋面，相鄰搭接折流板間存在三角間隙(簡稱三角區(qū))，殼程流體流動(dòng)在三角區(qū)產(chǎn)生漏流［8］． 筆者針對三角漏流區(qū)采用大型CFD 分析軟件FLUENT，考察三角區(qū)漏流對螺旋折流板換熱器綜合性能的影響，為換熱器的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考．

1 幾何模型

1/3 螺旋折流板分為橢圓和扇形兩種，均由橢圓切割得到．筆者采用1/3 橢圓螺旋折流板，對螺旋折流板換熱器漏流的研究主要存在于相鄰搭接折流板間的三角區(qū)． 為了單獨(dú)考察三角區(qū)漏流的影響，取折流板與管束和筒體間的間隙為0 mm，即假設(shè)折流板與管束和筒體之間不存在間隙．在計(jì)算中，假定進(jìn)口段、出口段充分發(fā)展，忽略進(jìn)口及出口對整體特征參數(shù)的影響．

建立兩種1/3 橢圓螺旋折流板模型(見圖1)，模型a 為螺旋折流板間存在三角漏流區(qū);模型b 為堵住螺旋折流板間的三角區(qū)(保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，采用1 mm 厚度板將三角區(qū)堵住)，不產(chǎn)生三角區(qū)漏流．對應(yīng)a、b 兩種折流板模型，建立螺旋角為15°、20°兩組換熱器模型:a1、b1;a2、b2．

圖1 螺旋折流板結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of helical baffles

其中，a1、a2 分別為螺旋角15°、20°時(shí)螺旋折流板間存在三角漏流區(qū)的換熱模型，b1、b2 分別為螺旋角15°、20°時(shí)堵住折流板間三角區(qū)的換熱器模型．換熱器的整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示．

表1 換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸Tab．1 Structural parameters of heat exchanger

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

2．1 網(wǎng)格劃分

螺旋折流板換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分采用正四面體與金字塔形的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格． 采用換熱器整體傳熱系數(shù)作為評價(jià)模型網(wǎng)格劃分的指標(biāo)并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，通過網(wǎng)格獨(dú)立性分析及計(jì)算時(shí)間綜合考慮，最終確定模型a1、b1、a2、b2的網(wǎng)格單元數(shù)分別為388 萬、539 萬、339 萬、461 萬．

2．2 邊界條件設(shè)置

殼程進(jìn)口采用速度進(jìn)口，進(jìn)口流體溫度為20 ℃;出口采用壓力出口，出口壓力和溫度保持默認(rèn);管壁溫度設(shè)置為80 ℃恒壁溫;湍流模型采用k-ε 模型方程;壓力和速度耦合采用SIMPLE 算法;動(dòng)量和能量離散采用二階迎風(fēng)格式．

3 流場分布

筆者考察了存在三角漏流區(qū)與堵住三角區(qū)時(shí)殼程流體流動(dòng)三角區(qū)附近流線分布(圖2)及殼程流體流動(dòng)整體流線分布(圖3)．可以看出:①螺旋折流板換熱器存在三角漏流區(qū)時(shí)，部分流線直接通過三角區(qū)，殼程流體流動(dòng)在三角區(qū)產(chǎn)生漏流;殼程中心部位部分流線幾乎與殼程中心軸線平行，流體流動(dòng)短路現(xiàn)象嚴(yán)重;②堵住三角區(qū)后，三角區(qū)不再產(chǎn)生漏流，減少了殼程流體流動(dòng)的短路現(xiàn)象，流線沿螺旋折流板螺旋流動(dòng)增強(qiáng)．

圖2 殼程流體流動(dòng)三角區(qū)附近流線分布Fig．2 Streamline distribution of shell-sided fluid flow near the triangle

圖3 殼程流體流動(dòng)整體流線分布Fig．3 Overall streamlines distribution of shell-sided fluid flow

4 模擬結(jié)果分析

4．1 漏流對換熱器傳熱性能影響

圖4 為不同模型換熱器殼程傳熱系數(shù)隨殼程雷諾數(shù)的變化曲線．從圖4 可以看出，漏流使換熱器傳熱性能下降;堵住折流板三角區(qū)，能有效改善換熱器的傳熱性能．

圖4 傳熱系數(shù)隨殼程雷諾數(shù)的變化曲線Fig．4 Heat transfer coefficient varies with different Reynolds number in shell side

具體原因分析如下:①三角區(qū)堵住之后，三角區(qū)不再產(chǎn)生漏流;由殼程流體流動(dòng)整體流線分布(圖3)可以看出，殼程流體流動(dòng)短路現(xiàn)象有所改觀，增加了殼程流體與換熱管管束的接觸時(shí)間;②垂直管束方向分別取a1、b1 模型Z=0．25 m 的截面，兩種換熱器截面速度矢量如圖5 所示．由圖5可以看出，三角區(qū)堵住后，殼程流體流動(dòng)近螺旋運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，增加了殼側(cè)流體流動(dòng)的擾動(dòng)程度;螺旋流動(dòng)斜向沖刷換熱管管壁，使換熱管管束外壁面邊界層減薄，減小了管程與殼程之間的傳熱熱阻．綜合以上因素:堵住三角區(qū)，換熱器的傳熱系數(shù)增大，可使換熱器傳熱性能增加8．5% ～11%．

4．2 漏流對換熱器壓降影響

圖6 為不同模型換熱器進(jìn)出口壓降隨殼程雷諾數(shù)的變化曲線． 從圖6 可以看出，三角區(qū)堵住后，換熱器整體壓降有所升高，但升高幅度不大．

圖5 截面速度矢量圖Fig．5 Velocity vector of section

圖6 殼程壓力損失隨殼程雷諾數(shù)的變化Fig．6 Curve of pressure drop varies with different Reynolds number in shell side

具體原因分析如下:①三角區(qū)堵住后，殼程流體流動(dòng)不再產(chǎn)生三角區(qū)漏流，但殼程流體流動(dòng)有與三角區(qū)構(gòu)成的三角平面垂直方向的流動(dòng)分量(圖7)，流體垂直沖擊用于堵住三角區(qū)的封板，產(chǎn)生動(dòng)能損失，流動(dòng)阻力增大;②王良［9］關(guān)于1/4 橢圓螺旋折流板螺旋角為10°和15°時(shí)換熱器加與不加阻流板的性能實(shí)驗(yàn)得出:增加阻流板后，流體對阻流板產(chǎn)生沖擊，殼程壓力損失顯著增大．筆者模擬計(jì)算結(jié)果得出，堵住1/3 橢圓螺旋折流板換熱器三角區(qū)后，殼程流動(dòng)流阻變化較小，所以堵住1/3 橢圓螺旋折流板三角區(qū)，對于改善螺旋折流板換熱器殼程流體流動(dòng)三角區(qū)漏流現(xiàn)象，提高換熱器性能，具有現(xiàn)實(shí)意義．

圖7 三角漏流區(qū)速度矢量圖Fig．7 Velocity vector of triangle leakage area

但值得提出的是，垂直管束方向分別取a1、b1 模型Z=0．25 m 的截面，兩種換熱器截面壓力分布如圖8 所示．由截面壓力分布可以看出，堵住三角區(qū)后，截面整體壓力分布變化較大，需進(jìn)一步對其進(jìn)行研究．

圖8 截面壓力分布圖Fig．8 Pressure distribution of section

4．3 漏流對換熱器綜合性能的影響

圖9 換熱器綜合性能隨殼程雷諾數(shù)的變化Fig．9 Curve of comprehensive performance varies with different Reynolds number in shell side

具體原因分析如下:①堵住三角區(qū)后，三角區(qū)不再產(chǎn)生漏流，減小了殼程流體流動(dòng)短路現(xiàn)象，提高了殼程流體流動(dòng)的擾動(dòng)程度，強(qiáng)化了傳熱;②堵住三角區(qū)后，換熱器整體壓降有所升高，但與殼程傳熱系數(shù)的升高幅度相比，壓降升高幅度較?。C合以上因素表明:堵住三角區(qū)的換熱器綜合性能增強(qiáng)．

5 結(jié)論

通過對1/3 橢圓螺旋折流板換熱器存在三角漏流區(qū)與堵住三角區(qū)兩種情況進(jìn)行數(shù)值模擬并分析可知:

(1)三角區(qū)漏流使換熱器傳熱系數(shù)降低，堵住三角區(qū)可使換熱器傳熱性能提高8． 5% ～11%，能有效改善換熱器的換熱性能，強(qiáng)化傳熱．

(2)三角區(qū)漏流使換熱器整體壓降降低，堵住三角區(qū)后，壓降升高，但升高幅度不大，說明三角漏流區(qū)的存在對換熱器整體壓降影響較?。?/p>

(3)通過與文獻(xiàn)中1/4 橢圓螺旋折流板螺旋角為10°和15°換熱器加與不加阻流板的性能實(shí)驗(yàn)的結(jié)論進(jìn)行對比可知:堵住三角區(qū)后，1/3 橢圓螺旋折流板換熱器堵板對換熱器整體壓降影響較小，因而在工程實(shí)際應(yīng)用中，堵住1/3 橢圓螺旋折流板三角漏流區(qū)，具有現(xiàn)實(shí)意義．

(4)三角區(qū)漏流使換熱器綜合性能降低，堵住三角區(qū)后，換熱器綜合性能提高8． 1% ～11．1%．

三角區(qū)漏流使換熱器的傳熱系數(shù)、整體壓降、綜合性能降低．實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體應(yīng)用情況，綜合考慮所需傳熱效果與壓降因素，并考慮增加堵板后殼測流動(dòng)對換熱管管束振動(dòng)的影響，對三角區(qū)進(jìn)一步優(yōu)化，改善漏流區(qū)的作用，提高換熱器綜合性能．

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