張洋樂

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極其廣泛，如何提高換熱器效率、優(yōu)化換熱器傳熱一直是人們關(guān)注的焦點。因此很多高效節(jié)能的換熱器，如翅片管式、扭曲管式、螺旋板式、折流桿式、板殼式換熱器等應(yīng)運而生。其中板殼式換熱器是介于管殼式換熱器和板式換熱器之間的一種結(jié)構(gòu)形式，兼顧了管殼式換熱器和板式換熱器的優(yōu)點，可有效提高煉油化工企業(yè)的經(jīng)濟效益和裝置運行的效能。

板殼式換熱器由于換熱板片的特殊結(jié)構(gòu)，也存在工作壓力不宜過大、介質(zhì)溫度不宜過高、泄漏后不易修補等缺點，因此對板殼式換熱器的詳細(xì)研究十分必要。板殼式換熱器的板管內(nèi)、外流體均產(chǎn)生復(fù)雜的流動，其復(fù)雜的流動特性會獲得較強的旋轉(zhuǎn)擾動。運用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)的模擬技術(shù)對換熱器的管程和殼程流場進行模擬，可以對板管內(nèi)部的復(fù)雜流動進行較全面的分析。

本文以中國石化某公司潤滑油系統(tǒng)改造項目80萬t/a連續(xù)重整-苯抽提裝置中的換熱器改造作為研究實例，對比研究了板殼式換熱器直通紋板管和普通管殼式換熱器光管管內(nèi)的性能。管程流體介質(zhì)物性見表1。

表1 板殼式換熱器換熱板管內(nèi)的流體物性

1 數(shù)值模擬

1.1 實物模型及模擬計算方法

板殼式換熱器板束的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。模擬計算的換熱板厚度0.7mm(與實際沖壓換熱板厚度相同)，凸凹紋以中性面對稱，整體物理模型及實物如圖2所示。

圖2 板殼式換熱器的整體物理模型及實物

圖1 板殼式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

板殼式換熱器換熱板內(nèi)介質(zhì)的模擬計算利用計算流體力學(xué)的方法，采用模擬計算中剪切應(yīng)力輸運(Shear Stress Transport)湍流(SST)模型【1】。此模型基于k-ω模型，在計算域內(nèi)近壁面區(qū)域采用新函數(shù)修正法進行處理，可更為有效和真實地模擬計算域近壁面處的介質(zhì)流動。剪切應(yīng)力模型是能夠更真實地反映計算域積分到壁面的渦粘性模型。在經(jīng)典湍流模型的基礎(chǔ)上加入渦流的粘度參數(shù)Vt，可得到更精確的計算結(jié)果。

1.2 網(wǎng)格的劃分和邊界條件的確定

板殼式換熱器板管利用商用軟件ANSYS Workbench中的DesignModeler以及INVENTOR進行幾何模型的建立，同時利用ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件對計算域進行離散化處理并劃分網(wǎng)格。為了更好地捕捉邊界層、模擬計算板面凹凸處及光管的流動特性，在計算域邊壁的區(qū)域適當(dāng)加密網(wǎng)格。換熱板管網(wǎng)格劃分見圖3，光管網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 光管模擬計算網(wǎng)格劃分

圖3 換熱板管凹凸紋模擬計算網(wǎng)格劃分

模擬計算換熱板管凹紋、凸紋結(jié)構(gòu)及光管的流動特性，在相同管程流量工況下，對比分析其綜合性能。利用基于k-ω模型的剪切應(yīng)力輸運湍流模型，采用穩(wěn)態(tài)計算，求解連續(xù)性方程、能量方程和動量方程，來同時獲得V(速度)、P(壓力)和T(溫度)等變量的計算結(jié)果。采用具有高階精度離散格式，這樣可保證計算結(jié)果準(zhǔn)確且確保對邊界層的捕捉成功。定義各方程收斂條件平均殘差RMS值(Residual Target)絕對值小于1.0×10-5。

根據(jù)表1中的流體介質(zhì)物性，給定入口流量和T條件；給定計算模型的出口邊界條件為壓力出口，背壓(速度入口及壓力出口)；給定換熱板管及光管壁面為不可滲透且為無滑移邊界條件，給定換熱板管壁面的壁面溫度(wallt)變化曲線(根據(jù)實例工藝條件給定的進出口T以及換熱器管程的長度)見式(1)：

wallt= (30+x/0.312×5.85)

(1)

式中：x——換熱板管長度方向的坐標(biāo),m；

wallt——壁面溫度,℃。

2 模型計算的結(jié)果

為更好地對比研究換熱板管與光管的性能，分析研究了換熱板管自身的結(jié)構(gòu)特點，得到自身綜合性能最優(yōu)的換熱板管結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了板殼式換熱器的優(yōu)化。

2.1 不同角度換熱板管凹紋通道的性能對比

2.1.1 板管內(nèi)流體速度分布

板殼式換熱器板管的自身結(jié)構(gòu)特點對板管的換熱性能影響巨大。利用模擬計算可以對比研究得到換熱板管的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。模型計算了0°、10°、20°、30°凹紋結(jié)構(gòu)，得到如圖5(a)～圖5(d)所示的換熱板管不同角度凹紋結(jié)構(gòu)速度矢量。

從圖5(a)～圖5(d)中可以看出：不同角度凹紋結(jié)構(gòu)的換熱板管內(nèi)的介質(zhì)流動都有一定的旋轉(zhuǎn)及擾動特性。通過對比可以清晰地看出，20°[圖5(c)]凹紋通道內(nèi)的流體旋轉(zhuǎn)及擾動性最強。分析其原因可知：角度過小時，流體擾動性相對較弱； 而若角度過大則會由于流體的粘性導(dǎo)致凹紋之間流體相對較少，形成死區(qū)，不利于強化傳熱。

圖5 換熱板管0°、10°、20°、30°凹紋結(jié)構(gòu)速度矢量

2.1.2 板管內(nèi)傳熱性能分析

影響換熱器性能的一個重要參數(shù)是傳熱系數(shù)。圖6為不同入口流量、不同角度換熱板管傳熱系數(shù)曲線。

圖6 不同入口流量的傳熱系數(shù)曲線

從圖6中可以看出：隨著入口流量的增大，傳熱系數(shù)都略有增加，但變化不大，趨于平穩(wěn)；20°凹紋結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)明顯大于其他結(jié)構(gòu)，與2.1.1節(jié)，對板管內(nèi)速度分布的分析得到的結(jié)論一致。

2.1.3 管內(nèi)壓力損失

影響換熱器性能的另一個重要參數(shù)是流體的壓降。圖7為不同入口流量的板管內(nèi)的壓降變化。從圖7中可以看出；隨著流量的增大，壓降逐漸增大，而20°凹紋通道結(jié)構(gòu)的換熱板管壓力損失最大，這是由于20°板管內(nèi)旋流擾動更劇烈，邊界層擾動明顯，因此流體的粘性阻力損失較大、壓降較高。

圖7 不同入口流量的壓降變化曲線

2.1.4 不同角度換熱板管的綜合性能對比

傳熱系數(shù)和壓力損失是衡量換熱器性能的2個重要指標(biāo)。但是從優(yōu)化設(shè)計的角度出發(fā)，單獨通過任何1個參量確定換熱器性能的優(yōu)劣都是不可取的。目前國內(nèi)外使用較多的處理方法是以單位壓力損失下的傳熱系數(shù)(α=K/Δp)大小作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，來評估換熱器的綜合性能。

圖8為不同入口流量、不同角度換熱板管綜合性能指數(shù)α的變化。從圖8中可以看出：α值隨著流量的增大而降低，換熱板管20°凹紋通道結(jié)構(gòu)的綜合性能指數(shù)α最高。因此在下面的模擬計算中，利用20°凹紋結(jié)構(gòu)作為凹紋通道與其他結(jié)構(gòu)進行對比，繼續(xù)研究換熱板管的性能。

圖8 不同入口流量綜合性能指數(shù)α曲線

2.2 20°凹紋結(jié)構(gòu)換熱板管與光管的性能對比

2.2.1 換熱板管與光管的流體速度分布

通過對換熱板管內(nèi)凹凸紋結(jié)構(gòu)流體速度分布進行模擬計算，對比分析換熱板管與普通光管之間換熱性能的差異。

圖9為換熱板管內(nèi)凹紋處的速度分布及流線，圖10為換熱板管內(nèi)凸紋處的速度分布及流線，圖11為光管的速度分布云圖。從圖9中可以看出：換熱板管內(nèi)的介質(zhì)流動有著很強的旋轉(zhuǎn)及擾動特性。如圖11所示，光管的邊界層較厚，而換熱板管由于自身的結(jié)構(gòu)特性，強旋流以及擾動破壞了這種邊界層，使得流體的擾動性大幅度提升。通過模擬計算分析可知，換熱板管凸紋處內(nèi)部擾流相對較少，從圖10的流線可以看出：僅有少部分流體流入凸紋內(nèi)部，且只在近壁面處產(chǎn)生部分?jǐn)_動，因此凸紋對換熱器換熱板管內(nèi)部的擾流起到的作用相對較弱； 而從圖9可以看出：凹紋結(jié)構(gòu)對流體的擾動性影響極大，使板管內(nèi)流體產(chǎn)生強旋轉(zhuǎn)，增加了流體的湍流，削弱了邊界層，這將大幅度地改善換熱器換熱板管的換熱性能。

圖9 換熱板管凹紋速度矢量分布及流線

圖10 換熱板管凸紋處速度分布及流線

圖11 光管速度分布云圖

2.2.2不同寬度通道結(jié)構(gòu)的換熱器板管與光管的傳熱性能分析

圖12為不同入口流量的換熱板管及光管內(nèi)傳熱系數(shù)的變化趨勢。從圖12中可以看出：隨著入口流量的增大，傳熱系數(shù)都略有增加，但變化不大，趨于平穩(wěn)，與2.1.2節(jié)的分析相似。從曲線關(guān)系中可以看出：凹紋窄通道結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)明顯大于其他結(jié)構(gòu)；同時可以看出：對板殼式換熱器換熱板管內(nèi)的流動影響最大的結(jié)構(gòu)為凹紋結(jié)構(gòu)，凸紋結(jié)構(gòu)對板內(nèi)流動影響相對較小。因此衡量板殼式換熱器板內(nèi)流動綜合性能時，要考慮不同結(jié)構(gòu)的影響，加權(quán)平均得到最終的數(shù)值。

從圖12中還可以看出：凹紋窄通道和凹紋寬通道結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)差別很大，模擬計算的凹紋結(jié)構(gòu)與換熱板管水平方向成20°夾角；所有結(jié)構(gòu)形式的換熱板管換熱系數(shù)均大于普通光管結(jié)構(gòu)。圖13為凹紋窄通道與凹紋寬通道結(jié)構(gòu)的速度矢量分布云圖。窄通道凹紋之間距離較近，寬通道凹紋之間距離較遠(yuǎn)。從圖13中可以看出：由于寬通道結(jié)構(gòu)凹紋之間距離較遠(yuǎn)，流體擾動明顯不如窄通道結(jié)構(gòu)，因此凹紋窄通道結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)明顯大于寬通道結(jié)構(gòu)。

圖12 不同入口流量的傳熱系數(shù)變化曲線

圖13 凹紋窄通道與凹紋寬通道結(jié)構(gòu)的速度矢量分布云圖

2.2.3 管內(nèi)壓力損失對比

圖14為不同入口流量的換熱板管及光管內(nèi)的壓降變化。從圖14中可以看出：隨著流量的增大，壓降逐漸增大；窄通道的換熱板管內(nèi)旋流擾動比寬通道結(jié)構(gòu)更劇烈，因此壓降高于寬通道。而換熱板管與光管相比，由于換熱板管的邊界層擾動明顯高于光管，因此流體的粘性阻力損失明顯增大，所以換熱板管的壓降均高于光管的壓降。

圖14 不同入口流量的壓降變化曲線

2.2.4 換熱器板管與光管的綜合性能對比

圖15顯示了不同入口流量的換熱板管及光管結(jié)構(gòu)綜合性能指數(shù)α的變化。從圖15中可以看出：α值隨著流量的增大而降低，換熱板管凹紋窄通道結(jié)構(gòu)及凸紋結(jié)構(gòu)的綜合性能指數(shù)α較高，高于光管的性能，而且流量越低這個優(yōu)勢越明顯，最大值高于光管約35%；凹紋寬通道結(jié)構(gòu)的綜合性能指數(shù)α僅略高于光管。通過以上的模擬計算可以看出，板殼式換熱器換熱板管板面自身的結(jié)構(gòu)特點對強化傳熱起著至關(guān)重要的作用。

圖15 不同入口流量綜合性能指數(shù)α曲線

2.3 換熱板管綜合性能指數(shù)的擬合

根據(jù)以上模擬計算數(shù)值，最終將凹紋窄通道結(jié)構(gòu)及凸紋結(jié)構(gòu)的影響力加權(quán)平均，得到換熱板管與普通光管綜合性能指數(shù)的對比情況，如圖16所示。從圖16中可以看出：換熱板管結(jié)構(gòu)的綜合性能明顯高于普通光管結(jié)構(gòu)；在模擬計算的入口流量范圍內(nèi)，換熱板管的綜合性能指數(shù)高于光管9.0%～26.9%，其中平均值高于光管14.5%，最高值高于光管26.9%，說明換熱板管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對換熱器綜合性能的提升。

圖16 換熱板管與光管綜合性能指數(shù)α

3 結(jié)語

由于凹凸紋板管結(jié)構(gòu)的特殊性，使得板管內(nèi)流體旋轉(zhuǎn)和擾動明顯增強，產(chǎn)生垂直于主流方向的二次流，增加了流體的湍流，削弱了邊界層，強化了板管內(nèi)流體傳熱。

使用CFX軟件對不同入口流量的換熱板管及光管結(jié)構(gòu)進行計算，對管程流場進行模擬計算及分析，得到了以下結(jié)論：

1) 隨著流量的增加，板管內(nèi)傳熱系數(shù)略有增加，但變化不大，趨于平穩(wěn)；換熱板管凹紋結(jié)構(gòu)對傳熱的影響最大，凸紋結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)端流動相對較弱，對傳熱影響較小，凹凸紋結(jié)構(gòu)對強化傳熱的貢獻(xiàn)分別占77.28%和22.72%。

2) 換熱板管自身的結(jié)構(gòu)特性對板管的性能影響巨大。以單位壓降下的傳熱系數(shù)α(α=K/Δp)大小作為衡量板管性能的標(biāo)準(zhǔn)，20°凹紋結(jié)構(gòu)的板管綜合性能最高；窄凹紋結(jié)構(gòu)的傳熱性能高于寬凹紋結(jié)構(gòu)。

3) 通過加權(quán)平均計算，擬合出換熱板管內(nèi)綜合性能指數(shù)高于普通光管結(jié)構(gòu)，平均值高出14.5%，最高值高出26.9%，實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。

以α作為衡量板管性能的標(biāo)準(zhǔn)，換熱板管內(nèi)綜合傳熱性能明顯優(yōu)于普通光管，在增加能耗不多的前提下，可明顯提高換熱器的傳熱效率。