孟 芳

(天津大學(xué)石油化工技術(shù)開發(fā)中心教育部綠色合成與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

螺旋折流板換熱器具有殼程壓降小、返混程度低、抗振性能好，以及綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高效率長周期運(yùn)行，而受到廣泛的關(guān)注[1-3]。由于螺旋折流板換熱器的螺旋曲面加工制造困難，且在螺旋曲面上鉆孔受限等原因，目前一般采用非連續(xù)螺旋折流板，即將一個螺距的連續(xù)螺旋折流板用多塊折流板代替，使每塊折流板平面與殼體橫截面呈一定的夾角布置，在殼程成近似螺旋面[4]。非連續(xù)螺旋折流板殼程結(jié)構(gòu)相對簡單，加工制造成本較低。

但由于非連續(xù)螺旋折流板換熱器內(nèi)螺旋曲面的不連續(xù)性，相鄰的折流板的對接處會形成明顯的三角漏流區(qū)，使得殼程部分流體短路，導(dǎo)致?lián)Q熱器的性能降低。很多研究者針對三角漏流區(qū)提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案[5-13]，雖然有的結(jié)構(gòu)改進(jìn)使換熱器的綜合性能得到了提高，但改進(jìn)后的殼側(cè)結(jié)構(gòu)或換熱管結(jié)構(gòu)均較復(fù)雜，對設(shè)備加工制造的要求比較高，需要投入大量的經(jīng)濟(jì)成本。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出一種新型的螺旋折流板換熱器，采用CFD數(shù)值模擬的方法對其內(nèi)部流場進(jìn)行了詳細(xì)研究，并與傳統(tǒng)單螺旋折流板換熱器的性能進(jìn)行了對比研究。

1 建立模型

新型的螺旋折流板結(jié)構(gòu)是在雙螺旋的基礎(chǔ)上增加了一組菱形折流板，菱形折流板的位置垂直于殼體的橫截面，相鄰兩塊菱形折流板互相垂直，相間的菱形折流板相互平行，如圖1所示，不同形式換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 單螺旋與新型螺旋結(jié)構(gòu)的布置方式(β=30°)

項(xiàng)目單螺旋新型螺旋殼體內(nèi)徑Di /mm120120換熱器長度/mm750750換熱管內(nèi)徑d0/mm1919換熱管間距p/mm2525換熱管長度/mm738738換熱管數(shù)量n1212換熱管排列方式正方形正方形螺旋角度/°102030102030

2 邊界條件與求解設(shè)置

殼程采用循環(huán)水介質(zhì)，入口釆用速度入口，入口溫度293 K；出口釆用壓力出口；殼體壁面和折流板壁面，設(shè)置為無滑移、無滲透的絕熱邊界條件，換熱管壁面溫度設(shè)置為恒溫358 K。采用RNG k-ε湍流模型；速度壓力的耦合方式采用SIMLPE算法；所有變量均采用二階迎風(fēng)格式。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 流場分析

圖2是單螺旋和新型螺旋折流板換熱器殼程內(nèi)部流線圖的局部放大圖。從圖中可以看出，單螺旋折流板換熱器內(nèi)部存在明顯的漏流區(qū)域，新型折流板換熱器內(nèi)部的流體通道將單螺旋折流板換熱器內(nèi)部流體通道一分為二，兩個螺旋通道相互獨(dú)立、互不影響，其內(nèi)部不存在三角漏流區(qū)，完全避免了流體短路現(xiàn)象。

圖3是單螺旋和新型螺旋換熱器內(nèi)部的速度矢量圖和速度分布云圖。從圖中可以看出流體在新型螺旋折流板換熱器內(nèi)部的流動方向，從新型螺旋折流板換熱器內(nèi)部橫截面的速度分布云圖中可以看出被菱形折流板分開的兩塊區(qū)域的速度分布幾乎完全一致，流體分布較單螺旋結(jié)構(gòu)的流體分布更加均勻。

圖2 單螺旋和新型螺旋結(jié)構(gòu)換熱器殼程內(nèi)部流線圖(β=30°)

圖3 單螺旋和新型螺旋結(jié)構(gòu)換熱器內(nèi)部縱截面的速度矢量圖和橫截面的速度分布云圖(β=30°)

Fig.3 Velocity vectors in the longitudinal section and velocity contours in the cross section for heat exchanger with single helix and new baffles(β=30°)

圖4是單螺旋結(jié)構(gòu)與新型螺旋結(jié)構(gòu)換熱器內(nèi)部溫度分布云圖。從圖中可以看出，新型折流板換熱器內(nèi)部高溫區(qū)出現(xiàn)的位置離進(jìn)口處較近，且高溫區(qū)域明顯多于單螺旋結(jié)構(gòu)的高溫區(qū)域，換熱器出口溫度較高，說明新型螺旋結(jié)構(gòu)提高了換熱器的傳熱性能。

圖4 單螺旋結(jié)構(gòu)與新型螺旋結(jié)構(gòu)換熱器內(nèi)部溫度分布云圖(β=30°)

Fig.4 Temperature contours in longitudinal section for heat exchanger with single helix and new baffles(β=30°)

圖5是單螺旋結(jié)構(gòu)與新型螺旋結(jié)構(gòu)換熱器內(nèi)部壓力分布云圖。從圖中可以看出，新型螺旋折流板換熱器的壓降稍高于單螺旋折流板換熱器的壓降。

圖5 單螺旋結(jié)構(gòu)與新型螺旋結(jié)構(gòu)換熱器內(nèi)部壓力分布云圖(β=30°)

Fig.5 Static pressure contours in longitudinal section for heat exchanger with single helix and new baffles(β=30°)

3.2 性能分析

圖6 換熱器的壓降(△P)、傳熱系數(shù)(α)、單位壓降傳熱系數(shù)(α/△P)隨流量的變化關(guān)系曲線

Fig.6 Variation of pressure drop △P,heat transfer coefficient α,heat transfer coefficient per unit pressure drop α/△P on the shell side versus mass flow for heat exchanger with single helix and new baffles

圖6是螺旋角為10°～30°時，單螺旋折流板換熱器和新型螺旋折流板換熱器的傳熱系數(shù)(α)、壓降(△P)、綜合性能(α/△P)隨流量的變化關(guān)系曲線。從圖中可以得到以下結(jié)論：換熱器殼程傳熱系數(shù)、壓降均隨流量的增加而增加，隨螺旋角度的增加而減?。痪C合性能隨流量的增加而減小，隨螺旋角度的增加而增加。新型螺旋折流板換熱器的傳熱系數(shù)高于單螺旋折流板換熱器的傳熱系數(shù)，螺旋角為10°時，殼程傳熱系數(shù)增加約10%～15%；螺旋角為20°時，殼程傳熱系數(shù)增加約11%；螺旋角為30°時，殼程傳熱系數(shù)增加約20%。新型螺旋折流板換熱器的壓降均高于單螺旋折流板換熱器的壓降，且壓降的增加幅度隨螺旋角的增大而減??；螺旋角為10°時，新型螺旋折流板換熱器的壓降約為單螺旋的1.9倍；螺旋角為20°時，新型螺旋折流板換熱器的壓降約為單螺旋的1.2倍；螺旋角為30°時，新型螺旋折流板換熱器的壓降約為單螺旋的1.03倍。螺旋角為10°～20°時，新型螺旋折流板換熱器綜合性能降低，螺旋角為10°時，換熱器綜合性能降低約40%，螺旋角為20°時，換熱器綜合性能降低約10%；螺旋角為30°時，換熱器綜合性能增加，增加約20%。

綜上，當(dāng)螺旋角增大到30°時，新型螺旋折流板結(jié)構(gòu)不但可以避免三角漏流區(qū)，而且可以改善單螺旋結(jié)構(gòu)的綜合性能，說明該新型折流板換熱器適用于螺旋角較大的工況。

4 結(jié)論

(1)主要針對螺旋折流板換熱器內(nèi)流動與傳熱過程存在的三角漏流區(qū)問題，開展了結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作，提出了一種能夠解決問題且易于工程加工制造的新型折流板結(jié)構(gòu)形式。

(2)換熱器殼程傳熱系數(shù)、壓降均隨流量的增加而增加，隨螺旋角度的增加而減??；綜合性能隨流量的增加而減小，隨螺旋角度的增加而增加。

(3)新型折流板換熱器能夠增加殼程傳熱，但同時增大了殼程壓降，壓降的增加幅度隨螺旋角的增大而減小。

(4)小螺旋角時(10°～20°)，新型螺旋折流板換熱器綜合性能降低；螺旋角增大到一定程度后(30°)，新型折流板換熱器的綜合性增加。