欒艷春 陳義勝 龐赟佶

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)分析測(cè)試中心 3.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院）

0 引言

換熱器是能源、石油、化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用的工藝設(shè)備，它不僅可用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的溫度，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，同時(shí)也可用于余熱回收領(lǐng)域。管殼式換熱器更以其結(jié)構(gòu)可靠、技術(shù)成熟、設(shè)計(jì)與制造相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、承受高溫高壓、選材范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、處理清洗方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，在能源轉(zhuǎn)化和利用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行過(guò)深入細(xì)致的研究[2]。由于換熱器的幾何結(jié)構(gòu)、內(nèi)部流動(dòng)和換熱過(guò)程較為復(fù)雜，因此人們不斷地尋求更為先進(jìn)有效的研究手段。隨著計(jì)算機(jī)及CFD技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的方法已經(jīng)成為新型高效換熱器輔助設(shè)計(jì)的重要手段之一。

折流板缺口高度是影響換熱器殼側(cè)（殼程）流動(dòng)的重要因素之一。朱聘冠[3]指出，殼側(cè)無(wú)相變時(shí)，折流板缺口高度占?xì)んw內(nèi)徑 25%時(shí)，換熱器整體性能最好。程林、高緒棟[4]等指出，折流板缺口高度占?xì)んw內(nèi)徑40%時(shí)，換熱器整體性能最好。關(guān)于殼側(cè)折流板缺口高度問(wèn)題，學(xué)者們眾口不一，但缺口高度變化范圍均在殼體內(nèi)徑的20%～40%之間。針對(duì)此問(wèn)題，本文以管殼式換熱器為研究對(duì)象，運(yùn)用Fluent軟件建立管殼式換熱器殼程流場(chǎng)三維實(shí)體模型，重點(diǎn)研究在相同換熱器尺寸條件下，不同的折流板缺口高度所對(duì)應(yīng)的換熱器殼程流體的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到折流板缺口高度對(duì)換熱器的殼程流體流動(dòng)、溫度分布、殼程壓降和換熱效率的影響。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

基于不可壓縮的牛頓型流體，在常物性和宏觀熱能守恒的假設(shè)下，管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)和傳熱必須滿足以下3個(gè)控制方程[5]。

（1）質(zhì)量守恒方程 （連續(xù)性方程）

若為不可壓縮流動(dòng)，ρ為常數(shù)，則有

（2）動(dòng)量守恒方程

（3）能量守恒方程

1.2 換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

幾何模型采用管殼式換熱器，結(jié)構(gòu)為單管程、單殼程和單弓形折流板，換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，換熱器的工況參數(shù)如表2所示。對(duì)于幾何模型的建立則采用不同的折流板高度 （0.2D、0.25D、0.3D、0.35D、0.4D），以便對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 換熱器工況參數(shù)

1.3 計(jì)算模型與計(jì)算條件的簡(jiǎn)化

首先，進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化與假設(shè)。由于換熱器殼程結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在保證相關(guān)物理量準(zhǔn)確的前提下，建立模型時(shí)作如下簡(jiǎn)化和假設(shè)[6]： （1）折流板與換熱管間隙不考慮； （2）對(duì)流體流動(dòng)作穩(wěn)定假設(shè)；（3）假設(shè)流體物性如密度、黏度、比熱容等不隨溫度、壓力和時(shí)間而變化;（4）流體為牛頓流體，不可壓縮； （5）殼程僅由殼體、折流板、管板和換熱管束組成。建立的幾何模型如圖1所示。

圖1 管殼式換熱器計(jì)算模型

其次，進(jìn)行計(jì)算邊界條件的簡(jiǎn)化。 （1）殼體光滑，無(wú)滑移邊界條件，殼體壁面為絕熱壁面；（2）假設(shè)換熱管外壁溫度為恒溫； （3）中心面為對(duì)稱邊界； （4）速度進(jìn)口和壓力出口條件邊界，出口表壓力為0。

1.4 模型的計(jì)算

（1）將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中，檢查網(wǎng)格并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理。

（2）設(shè)置基于壓力的求解器，開(kāi)啟能量方程，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的雙方程κ-ε湍流模型，流體介質(zhì)均設(shè)置為不可壓縮流體[7]。

（3）設(shè)置邊界條件。分別設(shè)置殼程流體的入口、出口、換熱管壁面的邊界條件。

（4）設(shè)置松弛因子，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化，打開(kāi)殘差圖。

（5）進(jìn)行迭代計(jì)算。剛開(kāi)始可設(shè)置較小的迭代次數(shù)，若不收斂，可增大迭代次數(shù)繼續(xù)迭代，直到收斂為止。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 殼體流動(dòng)狀況

圖2為換熱器殼程流體流動(dòng)示意圖。從圖2可以看出，換熱器殼程流體流動(dòng)呈弓字形流動(dòng)，流動(dòng)主流區(qū)速度較大。兩塊折流板之間，在主流區(qū)的腹側(cè)，則為流動(dòng)渦流區(qū)，即流動(dòng)死區(qū)。流動(dòng)死區(qū)的存在減小了殼程錯(cuò)流面積，降低了流體的流速，減小了換熱面積，從而降低了換熱器的換熱效率。

圖2 換熱器殼程流體流動(dòng)

為了更直觀地觀察換熱器殼程流動(dòng)狀態(tài)，取兩塊折流板之間的區(qū)域作為觀察段，其流動(dòng)狀態(tài)如圖3（a）～ （e） 所示。 從圖3（a）～ （e） 可看出，折流板缺口高度的增加，有效地減小了渦流區(qū)的流動(dòng)面積，增加了有效傳熱面積。缺口高度增加時(shí)，由于流速降低，殼程壓降相應(yīng)隨之降低。綜上所述，折流板缺口高度變化時(shí)，其換熱及壓降特性都將隨之變化。

圖3 不同缺口高度時(shí)的殼程渦流流動(dòng)

2.2 溫度變化狀況

圖4（a）～（e）為折流板缺口高度為0.2D～0.4D時(shí)殼程流體溫度變化圖。從圖4（a）～（e）可看出，殼程流場(chǎng)的換熱狀況和其流動(dòng)狀況是緊密相關(guān)的，殼程溫度由換熱器進(jìn)口沿殼體長(zhǎng)度方向呈遞增變化，當(dāng)折流板缺口高度增加時(shí)，殼程主流區(qū)流動(dòng)面積增大，流速減小，殼程溫度場(chǎng)分布均勻性增強(qiáng)。

圖4 不同缺口高度時(shí)的殼程溫度變化

圖5和圖6分別為管程流量一定、殼程流量遞增的工況下，管程流場(chǎng)進(jìn)出口溫差和殼程流場(chǎng)進(jìn)出口溫差變化圖。由圖5和圖6可看出，在折流板缺口高度一定時(shí)，管程流場(chǎng)溫差隨流量的增加而遞減，殼程流場(chǎng)溫差隨流量的增加而減小；當(dāng)管程、殼程流量都一定時(shí)，隨著折流板缺口高度的增加，管程、殼程進(jìn)出口溫差都是降低的，換熱器的換熱量也因此而減少。

圖5 不同折流板缺口高度時(shí)的管程溫差

圖6 不同折流板缺口高度時(shí)的殼程溫差

為確定殼程在不同折流板缺口高度時(shí)對(duì)流換熱的強(qiáng)弱，在殼程流量一定時(shí)，計(jì)算不同折流板缺口高度時(shí)的Nu數(shù)。由圖7可得，努賽爾數(shù)Nu隨折流板缺口高度的增大而減小，即殼程流量一定時(shí)，換熱器殼程對(duì)流換熱效果隨折流板缺口高度的增大而減小。

圖7 不同折流板缺口高度時(shí)殼程的Nu數(shù)

2.3 壓降變化

圖8為殼程壓降隨殼程流量變化的曲線圖。當(dāng)折流板缺口高度一定時(shí)，殼程壓降隨流量的增加而增大，且在不同的缺口高度下，其壓降隨流量變化的趨勢(shì)基本一致，均呈線性增加。

圖9為殼程壓降隨折流板缺口高度變化的曲線圖，換熱器殼程壓降隨折流板缺口高度的增加而減小。當(dāng)折流板缺口高度由0.2D增加到0.25D時(shí)，殼程壓降變化最劇烈；當(dāng)缺口高度由0.25D增加到0.4D時(shí)，殼程壓降呈線性降低，且降低程度較緩和。這說(shuō)明，當(dāng)缺口高度達(dá)到一定時(shí)，繼續(xù)增加缺口高度其所引起的壓降程度已不能為優(yōu)化換熱器性能提供明顯的幫助。

圖8 換熱器殼程壓降隨流量的變化

圖9 換熱器殼程壓降隨折流板缺口高度的變化

為了解換熱器內(nèi)部流體充分發(fā)展段的壓降變化情況，取折流板端部與殼程內(nèi)壁中間處為參考面，在兩塊折流板間取10個(gè)參考點(diǎn)，其分布如圖10所示，圖中點(diǎn) 1～3、點(diǎn)8～10為折流板缺口區(qū)參考點(diǎn)，點(diǎn)4～7為錯(cuò)流區(qū)參考點(diǎn)。

圖10 流動(dòng)單元參考點(diǎn)分布

圖11為圖10中10個(gè)參考點(diǎn)的壓力值。

圖11 參考點(diǎn)壓力值

經(jīng)計(jì)算，換熱器殼程在流體流動(dòng)過(guò)程中，缺口區(qū)壓降及錯(cuò)流區(qū)壓降占每個(gè)流動(dòng)單元的比例是一定的，其中，缺口區(qū)壓降比例約為94%，錯(cuò)流區(qū)壓降比例約為6%。折流板缺口高度對(duì)殼程壓降分布比例影響很小。但增加折流板缺口高度，可有效減小殼程壓降。因此，可通過(guò)改變折流板高度對(duì)換熱器進(jìn)行壓降優(yōu)化。

2.4 性能評(píng)價(jià)

對(duì)于換熱器，在提高其換熱效率的同時(shí)，也希望相應(yīng)消耗的動(dòng)力盡可能小。目前，研究換熱器殼程流動(dòng)和傳熱的文獻(xiàn)中，對(duì)于換熱器殼程普遍通用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是Nu/Δp。為使不同工況下的換熱器殼程性能對(duì)比更加明顯，以折流板缺口高度為0.2D時(shí)的計(jì)算數(shù)據(jù)為參考，采用進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖12為殼程流量一定時(shí)，不同折流板缺口高度下?lián)Q熱器殼程性能折線圖。

圖12 不同折流板缺口高度下殼程性能

由圖12可以看出，當(dāng)折流板缺口高度為0.2D時(shí)，其換熱器性能最佳，隨著折流板缺口高度的增大，換熱器整體性能逐步降低。

3 結(jié)論

本文針對(duì)換熱器殼程不同折流板缺口高度對(duì)換熱器性能的影響進(jìn)行了分析和研究。利用Fluent軟件，對(duì)五種折流板缺口高度進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了不同折流板缺口高度及入口流量情況下?lián)Q熱器殼程流體的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)殼程流體每一流動(dòng)單元的計(jì)算和分析，得到了不同折流板缺口高度對(duì)渦流區(qū)的影響規(guī)律。隨著缺口高度的不斷增加，渦流區(qū)面積逐漸減小，增加了有效傳熱面積，換熱器的換熱量逐漸增加。

（2）換熱器殼體溫度由進(jìn)口沿殼體長(zhǎng)度方向呈遞增變化，隨著折流板缺口高度的增加，殼體主流區(qū)流動(dòng)面積增大，流速減小，殼體溫度場(chǎng)分布均勻性增強(qiáng)，管程、殼程進(jìn)出口溫差逐漸降低，換熱器的換熱量逐漸減少。

（3）通過(guò)換熱器性能因子對(duì)換熱器整體性能的影響分析，得出在缺口高度不斷增加的五種工況下，折流板缺口高度為0.2D時(shí)，殼程性能最為理想，缺口高度為0.4D時(shí)，性能最差。

[1] 鄧斌，陶文銓.管殼式換熱器殼側(cè)湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(9)：889-893.

[2] WorachestPirompugd,Wang Chi-Chuan,Somchai Wongwises.Finite circular fin method for wavy fin-antube heat exchangers under fully and partially wet surface condition[J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2008， 51： 4002-4017.

[3] 朱聘冠.換熱器原理及計(jì)算 [M].北京：清華大學(xué)出版社，1987：8-14.

[4] 高緒棟.管殼式換熱器的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì) [D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[5] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué) [M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1988.

[6] 錢(qián)才富，高宏宇，孫海陽(yáng).曲面弓形折流板換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱 [J].化工學(xué)報(bào)，2011，62(5)：1233-1238.

[7] 古新，董其伍，王珂.縱流殼程換熱器殼程近壁區(qū)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值研究 [J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(4)：683-686.