球面弓形折流板換熱器折流板曲率半徑的優化研究

郭 土，馬貴陽，張一楠，孫 皓，曹燕龍

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院, 遼寧 撫順 113001）

換熱器在化工過程中起著至關重要的作用，投資費用一般占全部投資費用的 40%左右[1]。傳統的單弓形折流板換熱器換熱效率較低，殼程壓力損失較大，存在流動死區，容易結垢等[2]，難以滿足生產的要求。因此不斷有新型的殼程折流支撐結構的換熱器出現，如折流桿換熱器[3,4]、螺旋折流板換熱器[5-7]、花格板換熱器[8]等。

錢才富，高宏宇[9]等提出一種新型管殼式換熱器——曲面弓形折流板換熱器，用CFD技術對曲面弓形折流板換熱器和普通弓形折流板換熱器的殼側流體流動與傳熱性能進行了數值模擬與研究，發現和普通弓形折流板相比，曲面弓形折流板所引起的殼程流體速度分布在流道內更加均勻，流線更為光滑，而且流動“死區”明顯減小。并且對曲面弓形折流板換熱器的殼側流體流動與傳熱性能進行了實驗驗證，模擬和數值結果基本一致，在殼程進口流速相等的情況下，曲面弓形折流板換熱器比普通弓形折流板換熱器的殼側壓降要降低9%～24%，殼程傳熱系數比普通弓形折流板換熱器提高3%～11%。

本文提出一種新型的管殼式換熱器——曲面弓形折流板換熱器，并且在不同進口流速0.1～0.8 m/s（每隔0.1 m/s做一次計算）下，對曲率半徑為0.75D、1D、1.25D、1.5D（D為換熱器殼體直徑）的球面弓形折流板換熱器和普通弓形折流板換熱器的殼側流體流動與傳熱性能進行數值模擬與研究，得到了殼程流體流場分布以及殼程壓降和傳熱系數，研究不同的球面弓形折流板曲率半徑對換熱器殼程壓降、殼程換熱系數的影響。

1 數學模型的建立

換熱器殼程流體的流動與傳熱過程需要滿足三大守恒方程。因為湍流效應對流動和傳熱影響非常大，所以計算模型選用標準模型， 標準的運輸方程為：

式中：t—時間,s；

μ—流體粘度，kg/(m·s)；

ρ—流體密度，kg/m3；

Gk—均速度梯度引起的湍動能產生項；

Gb—浮力引起的湍動能產生項；

YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總得耗散率的影響。

經驗常數C1ε=1.44，C3ε=1, Cμ=0.09。

2 弓形折流板三維模型的建立

2.1 幾何模型

模型分為普通弓形折流板換熱器和球面弓形折流板換熱器兩種類型，其中球面弓形折流板換熱器折流板曲率半徑分別取0.75D、1D、1.25D、1.5D，具體結構參數見表1。0.75D球面弓形折流板換熱器結構示意圖如圖1。換熱器殼程結構相對復雜,流體流動和傳熱過程也十分復雜。因此在保證相關物理量準確的前提下, 建立模型時作如簡化假設:

表1 換熱器主要結構參數Table 1 Main structural parameters of the heat transfer

(1)忽略折流板與換熱管、折流板與筒體間的間隙;

(2)假設流體流動和傳熱過程是均一、穩定的;

(3)對傳熱導致的流體物性的變化忽略不計,如密度、黏度和比熱容等;

(4)筒體外壁與外界無熱交換;

(5)流體為牛頓流體、不可壓縮、各向同性且連續。

圖1 0.75D球面弓形折流板換熱器示意圖Fig.1 The structure chart of the 0.75D spherical baffle heat exchanger

2.2 網格劃分及邊界條件的設置

根據表1的幾何參數分別繪制出普通弓形折流板換熱器和4種曲率半徑的球面弓形折流板換熱器的幾何體，由于弓形折流板換熱器殼程流域模型十分復雜，所以網格劃分采用分塊劃分的方法，間距為2.5 mm。圖2為球面弓形折流板換熱器截面網格劃分示意圖。

圖2 球面弓形折流板換熱器截面網格劃分示意圖Fig.2 The sectional mesh dividing effect of the spherical baffle heat exchanger

使用分離求解器，穩態隱式格式求解以保證收斂的穩定性；速度壓力耦合方式采用基于交錯網格的SIMPLE算法；流體為水，物性參數為等效溫度下的常數；假設入口速度均勻分布，殼體壁面和折流板采用不可滲透、無滑移絕熱邊界條件；忽略重力影響。

使用速度入口（velocity-inlet）和出流（out flow）邊界條件。入口條件的設置采用湍流強度和水力直徑，湍流強度通過（3）式得到；動量、能量以及湍流參量的求解采用二階迎風格式。湍流模型選用標準模型。進口流速范圍為0.1～0.8 m/s，每隔0.1 m/s做一次模擬計算。

3 數值模擬與結果分析

3.1 對換熱器壓力場的分析

殼程入口流速為0.3 m/s時，0.75D球面弓形折流板換熱器殼程壓力場中心線截面等值線圖如圖3所示：模擬結果表明，在相同入口流速下，球面弓形折流板換熱器比普通換熱器殼程壓降要小 8%～11%；且曲率半徑越小，換熱器殼程壓降越低。普通弓形折流板換熱器殼程壓降為328 Pa，曲率半徑為0.75D的球面弓形折流板換熱器壓降為294 Pa。

圖3 0.3 m/s時0.75D球面弓形折流板換熱器殼程壓力場中心線截面等值線圖Fig.3 The shell side central line sectional pressure field of the 0.75D spherical baffle heat exchanger when inlet velocity is 0.3 m/s

3.2 對換熱器溫度場的分析

不同流速下兩種換熱器的換熱系數曲線如圖4所示。在不同的殼程入口流速下，球面弓形折流板換熱器比普通換熱器換熱系數低，且曲率半徑越小，換熱器換熱系數越低。這主要是因為球面弓形折流板曲率半徑越小，與殼程流體的流動曲線越吻合，這不利于造成殼程流體的擾流，在一定程度上降低了換熱系數，也正是由于這一點卻能大大的降低殼程壓降。

圖4 換熱器的換熱系數曲線Fig.4 Heat exchanger’s heat exchange coefficient curve

3.3 對兩種換熱器流動與傳熱綜合性能的分析

不同曲率半徑球面弓形折流板換熱器換熱性能提高效果如圖5所示。在殼程入口流速相等的條件下，球面弓形折流板換熱器曲率半徑越小換熱器殼程傳熱與流阻綜合性能指標越大，但是增長的速度不是均勻的。如殼程進口流速為0.8 m/s時，曲率半徑分別為0.75D、1D、1.25D、1.5D的球面弓形折流板換熱器殼程傳熱與流阻綜合性能指標比普通弓形折流板換熱器提高的百分數分別為9.5%、6.8%、5.5%和4.5%。隨著殼程入口流速的增大，球面弓形折流板換熱器換熱性能提高的效果越好，但是增加的幅度不大。

圖5 球面弓形折流板換熱器在不同進口流速下綜合性能提高效果Fig.5 The increasing effect of different spherical baffle heat exchanger performance under different inlet flow rate

4 結 論

(1)在相同入口流速下，球面弓形折流板換熱器曲率半徑越小，換熱器殼程壓降越低，換熱系數也隨之降低。

(2) 在本文設計工況下，曲率半徑越小換熱器殼程傳熱與流阻綜合性能指標pΔ?/越大，且增長的速度不是均勻的。

(3)考慮換熱器折流板加工工藝和生產成本問題，球面弓形折流板換熱器殼程傳熱與流阻綜合性能指標pΔ?/比普通弓形折流板換熱器提高在10%以內，效果并不特別理想，還有進一步改進提升的空間。

［1］ 孫成家，楊軍，陳保東.不同折流板換熱器的傳熱與流阻性能對比[J].節能技術，2005,23（1）:59-61.

［2］ 劉敏珊，董其伍，劉乾.折流板換熱器殼程流場數值模擬與結構優化[J].化工設備與管道，2006,43（2）:24-31.

［3］ 吳金星，董其伍，劉敏珊，等.折流桿換熱器殼程湍流和傳熱的數值模擬[J].高校化學工程學報，2006,20（2）：213-216.

［4］ 馬雷，王英雙，楊杰，等. 變截面折流桿換熱器的流動與傳熱分析[J].工程熱物理學報，2012,33（1）：113-116.

［5］ 潘振，陳保東，商麗艷.螺旋折流板換熱器的研究與進展[J].節能技術，2006,24（1）:81-85.

［6］ Zhang Zhengguo, Xu Tao, Fang Xiaoming. Experimental study on heat transfer enhancement of a helically baffled heat exchanger combined with three-dimensional finned tubes[J]. Applied Thermal Engineering ,2004, 24 (14/15) : 2293-2300.

［7］ Nasiruddin, Kam ran Siddiqui M H. Heat transfer augmentation in a heat exchanger tube using a baffle[J].International Journal of Heat and Fluid Flow , 2007, 28(2): 318-328.

［8］ 王英雙，張曉嶼，劉志春，等. 花格板換熱器的流動與傳熱[J].化工學報，2012,63（S1）：99-105.

［9］ 錢才富，高宏宇，孫海陽.曲面弓形折流板換熱器殼程流體流動與傳熱[J].化工學報，2011（5）：1233-1238.