弓形折流板換熱器殼程進出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吳素珍，邵鳳祥

(河南工程學院 機械工程學院，河南 鄭州 451191)

摘要：采用FLUENT軟件對直管形和喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)的弓形折流板換熱器進行了數(shù)值模擬，對這兩種結(jié)構(gòu)的殼程壓降進行了比較.結(jié)果表明，在殼程流速相同時，采用喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)的換熱器的殼程壓降總比直管形進出口結(jié)構(gòu)的壓降低且流速越大壓降幅度越明顯，從而達到節(jié)能減排的目的.最后,對兩種結(jié)構(gòu)進行了實驗研究，將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn),兩者最大誤差在8%左右，吻合較好，從而為弓形折流板換熱器殼程進出口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了有效依據(jù).

關鍵詞：弓形折流板換熱器；進出口結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；壓降

中圖分類號：TK172文獻標志碼：A

收稿日期：2015-05-28

基金項目：國家自然科學基金(51375064)

作者簡介：吳素珍(1978-)，女，河南濮陽人，講師，博士研究生,主要研究方向為機械設計.

管殼式換熱器的壓降是一個重要參數(shù)，流體需要通過泵的輸送流過換熱器，其功率與換熱器的壓降成正比.換熱器殼程的總壓降主要包括3個部分，即折流板間流體流動產(chǎn)生的壓降、流體流過折流板缺口產(chǎn)生的壓降和流體流過殼程進出口由于截面變化產(chǎn)生的壓降.

目前，通過改變折流板來減少壓降的研究有很多.文獻[1-2]研究了螺旋折流板殼程壓降，與弓形折流板殼程壓降進行了比較，發(fā)現(xiàn)螺旋折流板對減少壓降有顯著作用.文獻[3]研究了曲面弓形折流板的殼程壓降，比較了不同的折流板間距和缺口高度對壓降的影響，發(fā)現(xiàn)曲面弓形折流板對減少壓降有一定作用.但是,通過改變殼程進出口結(jié)構(gòu)來減少壓降卻鮮有研究.

采用數(shù)值模擬的方法通過改變弓形折流板換熱器殼程的進出口結(jié)構(gòu)來研究殼程的壓降，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了比較，從數(shù)值模擬的結(jié)果可得出兩種不同結(jié)構(gòu)的換熱器在不同流速下殼程的壓降情況.本研究為改進換熱器的結(jié)構(gòu)來降低殼程壓降指出了方向.壓降的降低必然會帶來功率消耗的減少，從而達到節(jié)能減排的目的.

1建立模型

1.1幾何模型

傳統(tǒng)弓形折流板換熱器殼程的進出口采用直管結(jié)構(gòu)，如圖1所示.本研究的換熱器殼程進出口采用喇叭管結(jié)構(gòu)，如圖2所示.假設折流板與換熱管及換熱器筒壁無間隙.

圖1　直管形進出口 Fig.1　Cylindric inlet and outlet

圖2　喇叭口形進出口 Fig.2　Horn-shaped inlet and outlet

圖1和圖2所示的換熱器除了進出口結(jié)構(gòu)不一樣，其他結(jié)構(gòu)和尺寸完全一樣.換熱器各參數(shù)見表1.

表1　換熱器幾何參數(shù)

1.2網(wǎng)格的劃分

根據(jù)幾何模型的結(jié)構(gòu)特點，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分.網(wǎng)格大小取3.14，這樣可以保證不出現(xiàn)扭曲網(wǎng)格.直管形進出口換熱器的網(wǎng)格數(shù)為2 880 768，喇叭口形進出口換熱器的網(wǎng)格數(shù)為2 440 102.

1.3邊界條件的設定

換熱器中的流體介質(zhì)為水.流體介質(zhì)的流動屬于不可壓流動，故選用分離式求解器.換熱器中流體的流動處在湍流狀態(tài)下，故選用目前應用范圍極廣的標準k-ε湍流模型，在近壁區(qū)選用標準壁面函數(shù)法[4-5].由于涉及傳熱，故啟動能量方程.流場數(shù)值計算方法選用SIMPLE(求解壓力耦合方程組的半隱式方法)，動量、湍流和能量方程的離散采用一階迎風差分格式[6-8].采用標準化殘差的形式來判斷計算方程的收斂性,殘差精度取默認值，即連續(xù)性方程、動量方程及k-ε方程的殘差均為10-3,能量方程的殘差為10-6.殼程進口的邊界類型設置為velocity-inlet(速度入口)，進口溫度設為293 K，殼程出口邊界類型設置為pressure-outlet(壓力出口).由于只關心進出口的壓差，故出口壓力取默認值，即標準大氣壓.管程進口的邊界類型設置為velocity-inlet(速度入口)，進口溫度設置為363 K，管程出口邊界類型設置為pressure-outlet(壓力出口)，出口壓力取默認值.殼體壁面、折流板壁面、兩側(cè)管板壁面均設為絕熱邊界條件.

2結(jié)果與分析

對兩種不同結(jié)構(gòu)的換熱器分別進行數(shù)值模擬，比較兩個數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出,喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)比直管形進出口結(jié)構(gòu)在降低壓降方面有明顯的優(yōu)勢.分析發(fā)現(xiàn)，采用喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)能有效減少進口處漩渦的形成、明顯改善流動狀態(tài)，使漩渦引起的壓力損失大大減少，從而降低喇叭口形進出口換熱器的殼程壓降.

2.1壓降比較

采用保持管程流速不變、僅改變殼程流速的方法獲得了兩種不同結(jié)構(gòu)換熱器殼程的壓降隨流速變化的情況.殼程流速從0.1 m/s開始，每隔0.2 m/s計算一次，直到3.7 m/s時結(jié)束.每次計算結(jié)束后讀取殼程進口的壓力值，殼程出口邊界類型為壓力出口，壓力值始終為0，殼程進口壓力值也就是進出口的壓降值.為了比較兩種不同結(jié)構(gòu)的進出口對壓降的影響，將每種結(jié)構(gòu)19次的計算值進行整理，最后得出壓降隨流速變化的曲線圖，如圖3所示.從圖3可以看出，在相同流速下采用喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)的換熱器的殼程壓降總是比直管狀進出口結(jié)構(gòu)的壓降小.隨著流速的增加，直管形進出口結(jié)構(gòu)的壓降增加幅度大于喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)，并且流速越大、喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)的殼程壓降比直管形進出口結(jié)構(gòu)的壓降降低的絕對值越大.因此，殼程的流速越大，采用喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)比采用直管形進出口結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性就越突出.

喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)的殼程壓降相對于直管形進出口結(jié)構(gòu)的壓降降低的百分數(shù)隨流速變化的情況如圖4所示.從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，壓降降低的百分數(shù)隨流速的變化基本穩(wěn)定在69.5%左右.

圖3　壓降隨流速變化情況 Fig.3　The pressure drop versus the flow rate

圖4　壓降降低百分數(shù)隨流速變化情況 Fig.4　Percentage reduction of the pressure drop versus the flow rate

2.2壓降降低的原因

為了分析進出口結(jié)構(gòu)改為喇叭口形結(jié)構(gòu)后壓降降低的原因，沿進口管軸線方向取一垂直于筒體軸線的截面，分別提取殼程進口流體流速為1.7 m/s時兩種不同結(jié)構(gòu)換熱器這一截面上的速度分布云圖.直管形進出口換熱器進口處速度的分布云圖如圖5所示，喇叭口形進出口換熱器進口處速度的分布云圖如圖6所示.

圖5　直管形進出口換熱器進口處速度分布云圖 Fig.5　Velocity distribution of cylindric inlet and outlet heat exchanger’s inlet

圖6　喇叭口形進出口換熱器進口處速度分布云圖 Fig.6　Velocity distribution of horn-shaped inlet and outlet heat exchanger’s inlet

從圖5可以看出，截面左右兩側(cè)存在較大區(qū)域的流體流速幾乎接近于0，形成了流動死區(qū).這主要是由于流體邊界突然擴大，流動狀態(tài)隨之發(fā)生急劇改變，主流脫離邊壁從而形成漩渦，此漩渦會引起機械能轉(zhuǎn)化為熱能， 從而造成流體速度降低，同時導致壓降低.將圖6與圖5相比可以看出，流速為0的流體區(qū)域大大減少，流動狀態(tài)得到了很大改善，這樣漩渦引起的壓力損失也大大減少，從而使喇叭口形進出口換熱器的殼程壓降降低.

3實驗結(jié)果與數(shù)值模擬的對比

本實驗采用的換熱器與數(shù)值模擬所用換熱器的幾何參數(shù)完全一致,所用的流體介質(zhì)都是水.在兩種換熱器的進出口法蘭處分別布置壓力傳感器.實驗中，保持換熱器管程的流速恒定不變，殼程流速從 0.1 m/s開始，每隔0.2 m/s實驗一次，直到3.7 m/s結(jié)束.分別記錄進出口處壓力傳感器的數(shù)值，最后對數(shù)據(jù)進行整理.

將實驗數(shù)據(jù)整理后得出兩種換熱器壓降隨流速變化的曲線圖，與數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比，如圖7所示.從圖7中可以看出，直管形換熱器的壓降和實驗值均比數(shù)值模擬值大，對于喇叭口形換熱器有同樣的規(guī)律.這主要是因為數(shù)值模擬時所采用的計算模型偏于理想化，實驗中換熱器的折流板與換熱管及殼體之間均存在小的間隙，水流從間隙中穿過時會造成更大的壓力損失.

實驗記錄中壓降降低的百分數(shù)隨流速變化的曲線如圖8所示.從圖8中可以看出，和數(shù)值模擬的結(jié)果相比，實驗測得的壓降降低百分數(shù)基本穩(wěn)定在64.0%左右.

圖7　壓降隨流速變化的實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比 Fig.7　Comparison between the numerical simulation result and experiment result of the pressure drop versus the flow rate

圖8　壓降降低百分數(shù)隨流速變化實驗結(jié)果 Fig.8　Experiment result of the pressure drop percentage reduction versus the flow rate

4結(jié)論

采用FLUENT軟件對兩種不同進出口結(jié)構(gòu)的弓形折流板換熱器進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在殼程流速相同時，采用喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)的換熱器的殼程壓降總是比直管形進出口結(jié)構(gòu)小.殼程流速越大，采用喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性就越突出.從數(shù)值模擬結(jié)果來看，壓降降低的百分數(shù)隨流速的變化基本穩(wěn)定在69.5%左右.所以，采用喇叭口形進出口結(jié)構(gòu)能有效減少進口處漩渦的形成，使漩渦引起的壓力損失大大減少，從而使喇叭口形進出口換熱器的殼程壓降降低.將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比,兩者的誤差在8%左右,吻合較好.

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The optimization of inlet and outlet structure of segmental baffles heat exchanger

WU Suzhen， SHAO Fengxiang

(CollegeofMechanicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract:This study, by using the software FLUENT, has simulated the segmental baffles heat exchanger in cylindric and horn-shaped inlet and outlet structures. A comparison between two structures’ shell-pass pressure drop shows that the pressure drop of horn-shaped inlet and outlet structure is much lesser than that of cylindrical inlet and outlet structure and the pressure drop reduction between the two structures was more obvious at the higher flow rate. Furthermore, an experimental study on the two structures has been carried out. A comparison between the numerical simulation result and experiment result shows that the two match well when the maximum error between experimental results and numerical simulation results is about 8%. This can provide effective basis for the improvement of the inlet and outlet structure in the segmental baffles heat exchanger.

Key words:the segmental baffles heat exchanger；the inlet and outlet structure；numerical simulation；pressure drop