?夏昭知 鄭珺文 鄭茂強(qiáng)

摘要：當(dāng)折流板應(yīng)用至管殼式傳熱器中時，所發(fā)揮的最突出作用就是改變管殼內(nèi)部液體的流動方向，讓流體流速提高，流動效率上升。在一個管殼式交換器中要使用多少數(shù)目的折流板，一般是根據(jù)管殼內(nèi)流體的性質(zhì)和流量確定的，將折流板鋪設(shè)安裝在流體的“必經(jīng)之路”上，既可以極大程度增強(qiáng)換熱器的傳熱效果，還能夠讓管束更為牢穩(wěn)。本文首先簡要介紹了幾種常用的折流板型式，然后引入了管殼式換熱器的相關(guān)知識，最后通過建立三種不同的擋板實(shí)體模型并利用CFD軟件，得出了一些有關(guān)管殼式換熱器傳熱性能的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：折流板;管殼式換熱器;傳熱系數(shù);傳熱效能

0引言

管殼式換熱器的傳熱性能的影響因素很多，比如擋板之間的間距、擋板的開啟頻率等等。長期以來這個問題也一直受到國內(nèi)外很多專業(yè)學(xué)者的關(guān)注，很多人就該問題也展開過大量實(shí)驗(yàn)。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)擋板以垂直切割方向放置，管殼式換熱器的傳熱性能能夠達(dá)到最佳。

1.??? 兩種常見的折流板型式

管殼式換熱器中折流板的工作原理是：使用折流板對殼程內(nèi)的空間進(jìn)行合理分離，將殼內(nèi)空間劃分為不同的小單元，這樣流體在殼程內(nèi)進(jìn)行流動時就會受到很多阻礙，流體和殼壁之間也會發(fā)生很多摩擦碰撞，湍流程度就會隨之上升，最終傳熱器的傳熱系數(shù)也就能夠上升，在不同的換熱器中我們要謹(jǐn)慎選擇不同樣式的合適折流板，近年來實(shí)際應(yīng)用時比較常見常用的折流板型式主要為單弓形折流板和雙弓形折流板，其中，單弓形折流板的優(yōu)越性在于：傳熱膜的系數(shù)比較高，但是與此同時，它也使得殼內(nèi)壓降較大。而雙弓形折流板則與之相反，一般該種折流板傳熱膜系數(shù)不算很高，但是與單弓形折流板相比其壓降能夠大幅減小。

2.??? 管殼式換熱器的相關(guān)知識背景

管殼式換熱器，又被稱為列管式換熱器，呈封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部壁面是主要的傳熱面，換熱器內(nèi)包含著很多或大或小的零部件，包括殼體、傳熱管、折流板等。該種換熱器結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，而且成本比較低廉，能夠良好適應(yīng)高溫、高壓等各種惡劣環(huán)境，適用范圍極廣，所以性價比高。

3.??? 模擬探究

3.1. 初步確定模型數(shù)值

為了使研究結(jié)果更具可控性，同時也照顧研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，在此我們將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行合理的簡化，在探究過程中，暫時不考慮管孔和管板之間的間距的影響，不考慮內(nèi)導(dǎo)管和旁路擋板結(jié)構(gòu)的影響。另外在進(jìn)行模型確定時還要做出以下假設(shè)：第一，流體在模擬過程中狀態(tài)始終保持穩(wěn)定，流動過程和傳熱過程都保持平穩(wěn)。第二，流體的密度、比熱容以及粘性都不會對實(shí)驗(yàn)造成干擾。第三，圓通外壁與外界環(huán)境不會產(chǎn)生任何的熱量交換。第四，所選用的流體為牛頓流體，不能夠?qū)ζ渥鞒鰤嚎s處理。

探究過程中，我們將圓筒直徑的尺寸設(shè)計(jì)為15厘米，流體傳送導(dǎo)管的長度設(shè)計(jì)為50厘米，采用正方形的管道，方管管徑設(shè)計(jì)為1.9厘米，方管之間間隔2.5厘米，擋板之間間隔10厘米，擋板厚度定為0.3厘米，長度10厘米。折流板數(shù)目選擇為5 塊和7 塊，間距確定為13.3厘米和10厘米。

3.2. 殼內(nèi)結(jié)構(gòu)劃分

殼內(nèi)結(jié)構(gòu)劃分要以所選擇的換熱器型號為依據(jù)，主要采用分塊網(wǎng)格劃分，熱交換器劃分比較固定，可以將固定管板劃分為一個區(qū)域，剩余的擋板劃分在另一大區(qū)域。在換熱管壁附近還要對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，這樣才能夠提高計(jì)算的精度，最大程度降低誤差和后期分析難度。另外，使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)也是很好的的劃分方式，比如出入口的噴嘴結(jié)構(gòu)處就可以劃分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，除此以外的其他區(qū)域都可以確定為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

4.??? 確定其他條件

首先殼體內(nèi)的流體介質(zhì)我們確定為水，通過溫度的線性插值的變化情況，來對介電的性質(zhì)作出反饋。模型內(nèi)的的初始環(huán)境溫度設(shè)計(jì)為283k，進(jìn)口率也要合理控制，必須維持在一萬至七萬的雷諾數(shù)內(nèi)。管壁溫度控制在323k左右，在進(jìn)出口處、擋板處還要進(jìn)行絕熱處理。通過分別對間距不同、圓缺高度不同的各種折流板進(jìn)行數(shù)值模擬，可以看出流體的流場和溫度場情況。本次試驗(yàn)的全程流體都要保持一個湍流狀態(tài)。在進(jìn)行模型的剩余精度確定時，我們可以利用試錯法。

5.??? 模型的檢驗(yàn)工作

我們在模型檢驗(yàn)時經(jīng)常利用Bell-Delaware法，即貝爾- 臺華詳細(xì)設(shè)計(jì)法，管殼式交換器的相關(guān)性能和參數(shù)僅對臥式擋板比較適用。在這種情況下，我們就要根據(jù)模型對計(jì)算結(jié)果和實(shí)際模擬結(jié)果進(jìn)行對比，看看是否有較大出入和偏差，以確定模擬的精度如何，選定的模擬方法是否科學(xué)正確合理。通過計(jì)算得出，傳熱系數(shù)誤差達(dá)到了大約17%，壓降誤差較大些，約為22%。深究這些誤差的產(chǎn)生原因，主要是數(shù)值計(jì)算時的使用的數(shù)據(jù)都是理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)探究中不可避免要受到周圍環(huán)境作用。

6.??? 模擬結(jié)果探究

一般我們在對換熱器的傳熱性能進(jìn)行分析時，主要看傳熱系數(shù)和換熱器性能兩大指標(biāo)。首先我們對湍流模型中的交叉流動區(qū)域進(jìn)行分析，在這一區(qū)域，由于擋板產(chǎn)生了巨大的阻礙作用，所以在擋板上的流體流向也會出現(xiàn)較大變化。并且與此同時，在流體周圍還會隨之產(chǎn)生橫流換熱器束，這樣流體的流動速度便會進(jìn)一步加快，湍流翻涌的程度也會變得更強(qiáng)烈，流體翻涌并對換熱管束進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷，反復(fù)進(jìn)行交叉運(yùn)動，相應(yīng)的傳熱效應(yīng)也會變得更強(qiáng)。然后我們要對另一個區(qū)域特別作出解釋，那就是所謂的“流動死區(qū)”。流動死區(qū)處于擋板背面，這一區(qū)域的溫度通常極高，流體流速較低，這樣傳熱效果也較差，這也是擋板結(jié)構(gòu)的一個突出弊端。

7.??? 管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

要想對換熱器性能做出調(diào)整優(yōu)化，提高其換熱效率，主要就是從換熱設(shè)備和傳熱技術(shù)兩個方面入手，當(dāng)前的換熱器主要發(fā)展的方向是：逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、規(guī)范化、大型化，內(nèi)部設(shè)備結(jié)構(gòu)也越來越趨向緊湊密集。從狹義上分析，提高換熱器性能其實(shí)就是指提高傳熱性能，提高傳熱性能又主要可以從以下兩個角度入手：第一，削弱溫度邊緣層厚度。第二，改變傳熱面附近的流體。這兩種方法所引入的結(jié)構(gòu)是不同的，第一種方法主要使用間斷翅片結(jié)構(gòu)，第二種方法主要使用泡核沸騰來進(jìn)行熱量傳導(dǎo)。

從本文所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，要想提高傳熱效能，還可以采用適當(dāng)減小折流板之間的間距的方式，或者減小折流板的圓缺高度，這樣便能夠在一定程度上調(diào)高換熱器的傳熱系數(shù)，相應(yīng)的傳熱性能就可以變強(qiáng)。

8.??? 結(jié)束語

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，得出以下幾個結(jié)論：第一，在三種實(shí)體模型中，管殼式換熱器的熱傳遞系數(shù)與殼體入口速度成正比，系數(shù)隨殼體入口速度上升而上升。第二，對于三種不同擋板的實(shí)體模型，如果外殼速度加大，擋板角度為45度，那么此時管殼式換熱器擋板的壓降就能夠控制到最低，垂直切割管殼換熱器內(nèi)的壓力也控制到最小。第三，如果使用α/δ作為最終評價標(biāo)準(zhǔn)，那么最終觀察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，板式換熱器擋板的性能明顯最為優(yōu)良，使用效果最佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 許崇智.折流板切口方向?qū)軞な綋Q熱器傳熱性能影響探析[J].冶金管理，2020（01）：103+105.

[2]?? 金立鵬.基于折流板結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器換熱性能研究[D].東北石油大學(xué)，2018.

[3]?? 牛偉.雙弓形折流板管殼式換熱器殼程流動與傳熱數(shù)值模擬[D].西安石油大學(xué)，2016.

[4]?? 蔡萌.交錯螺旋折流板管殼式換熱器殼側(cè)傳熱與阻力性能分析[J].化工管理，2015（33）：155+157.

[5]?? 王雪山，張健.折流板換熱器殼程流體流動與傳熱特性數(shù)值模擬[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（06）：8-11.