油封低溫冷卻器折流板開孔的傳熱性能

鄭小濤，徐 成，喻九陽，林 緯，彭常飛

(武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

換熱器廣泛應用于能源、石化、制冷空調、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行業領域中，并在其中占有相當大的投資比例[1-4].通過改進換熱器的結構和換熱管型以及通過增加流體的擾動來提高換熱器的換熱效率，對高效換熱器的設計與研發有很大作用，對節能減排與提高能源利用率也有重大意義.單弓形折流板能使殼程流體橫向沖刷管束，具有顯著提高殼程的傳熱系數的作用，從而提高換熱器的整體傳熱性能.同時殼程的壓降也大大增加，且在折流板背面存在流動死區.對如何有效的利用折流板來提高換熱器的傳熱系數并滿足壓降要求具有很大的實際意義.下面分析折流板開孔對油封低溫冷卻器傳熱性能的影響，以及提高換熱器的綜合換熱性能.

1 分析模型

油封低溫冷卻器用于C6(一種碳氫物代號)的冷卻，屬于單弓形折流板管殼式換熱器.其管程為低溫冷卻水，入口溫度為5 ℃；殼程為碳氫物，入口溫度為40 ℃，其物理性質及初始條件如表1所示.油封低溫冷卻器采用單弓形折流板，弓缺25%，殼體內徑273 mm，換熱管外徑20 mm，管心距32 mm，采用90°布管方式.

表1 殼程流體物理性質Table 1 The shell pass fluid physical properties

2 數值計算方法

利用Fluent軟件對油封低溫冷卻器折流板開孔進行數值模擬，分析換熱器內部流場圖、溫度分布圖與壓降圖，為實驗提供了充分的理論依據.

分析過程中，采用選用FLUENT 3D單精度求解器，非耦合穩態隱式(simplec)求解；選擇雙方程的Standardk-ε Model(湍流模型)和 Standard Wall Functions(標準壁面函數法)[5].

邊界條件：

(1)管壁：constant temperature wall；溫度 278 K；

(2)入口：velocity inlet；速度0.4 m/s和 0.6 m/s；溫度 443 K；

(3)出口：outflow；

(4)殼體壁面：wall no-slip(速度無滑移).

設置殘差監視器和流場初始化后，開始迭代計算，保存case和data文件，最后進行結果后處理.在計算過程中，設置了4、6、8、10、12塊不同的折流板數，其間距分別為400 mm、260 mm、200 mm、170 mm、130 mm.以入口速度為0.4 m/s和0.6 m/s這兩種不同入口速度下進行了模擬，把折流板開孔與未開孔進行了對比.

圖1 折流板開孔建模圖Fig.1 Perforated baffle model

圖2 殼程建模圖Fig.2 The shell pass model

3 結果與討論

3.1 開孔前流場分析

圖3 V=0.4 m/s折流板數6時未開孔溫度云圖Fig.3 The temperature field cloud diagram of none perforated baffle under V=0.6 m/s and number of baffle is 6

圖3為入口速度為0.4 m/s，折流板數為6時的溫度云圖.從溫度云圖可以看出折流板背部溫度較高，這是由于折流板背部死區存在漩渦，導致局部溫度升高.折流板背部流動速度較低，存在死區，解釋了折流板背部溫度較高的現象.在單弓形折流板管孔間開孔，使殼程在折流板側形成一定量的縱向流可以弱化甚至消除折流板側的滯流區，并增大流體湍流程度，從而強化傳熱并降低流阻[6].

3.2 折流板開孔后壓降與傳熱系數的變化

當入口速度為0.4 m/s時，其折流板數與壓降關系如圖4所示，折流板數與傳熱系數的關系如圖5所示.壓降隨著折流板數增加而增加，折流板開孔與不開孔相比較，開孔后的折流板，其殼程壓降明顯降低，并隨著折流板數的增加，降幅增加，最大達到50.4%(見圖4).壓降的降低，將減少外部額外動力的輸入，保證輸出動力滿足工業要求.同時，殼程傳熱系數隨著折流板的增加而增大，但折流板開孔后與未開孔相比較，折流板開孔后傳熱系數有所下降，但下降幅度明顯低于壓降下降幅度，其最小降低9.4%，最多降低19.6%，且隨著折流板數增加殼程傳熱系數降幅增加(見圖5).

圖4 V=0.4 m/s折流板數與壓降關系圖Fig.4 The relationship diagrams of baffled numbers with pressure drop under V=0.4 m/s注： 折流板開孔； 折流板未開孔

3.3 利用開孔后特性提高傳熱系數

圖5 V=0.4 m/s折流板數與傳熱系數關系圖Fig.5 The relationship diagrams of baffled numbers with the heat transfer coefficient under V=0.4 m/s注：開孔；未開孔

圖6 V=0.4 m/s時同壓降下傳熱系數對比Fig.6 When V=0.4 m/s and equal pressure drop,heat transfer coefficient compared注：開孔；未開孔

同樣，隨著入口流速的增加，當殼程入口速度提高為0.6 m/s時，其壓降與傳熱系數均上升，上升趨勢與入口速度為0.4 m/s一致.在折流板開孔并增加殼程折流板數與折流板未開孔相比較,相同壓降下傳熱系數變化如圖7所示.

圖7 V=0.6 m/s同壓降下傳熱系數對比Fig.7 Heat transfer coefficient compared underV=0.4m/s and equal pressure drop注：折流板開孔；折流板未開孔

4 結 語

利用CFD技術，采用Fluent軟件對于油封低溫冷卻器折流板開孔進行數值模擬計算，得出以下結論.

a. 折流板開孔后，有效改善折流板背部死區現象，大大降低殼程壓降，最大可以降低50.4%.

b. 折流板開孔后，隨著壓降的大幅度降低，其殼程的對流傳熱系數也在降低，但降低的幅度小于壓降降低幅度.

c. 開孔后增加折流板在滿足壓降的要求的情況下傳熱系數可以提高，最大提高22%，最低降低8.7%.油封低溫冷卻器折流板開孔對提升單弓形折流板管殼式換熱器性能有明顯的提高，并利用其壓降有較大降幅的特點，提高總體傳熱系數，達到提高換熱器的性能的目的.

參考文獻：

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[2] 史美中.熱交換器原理與設計[M].南京:東南大學出版社,1995.

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[5] 王為良.管殼式換熱器殼側流場數值模擬[D].北京：中國石油大學，2010.

[6] 喻九陽,王澤武.單弓形折流板開孔試驗研究[J].石油化工設備，2004:33(2): 4-6.

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