一種帶狀支撐的縱流殼程換熱器熱力特性分析

王永慶，靳遵龍，郭曉迪，雷佩玉，郭月明

(鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州450001)

0 引言

換熱設備是化工、煉油、動力、食品、輕工等許多工業部門廣泛使用的一種通用設備.雖然換熱設備種類繁多，但管殼式換熱器具有制造容易，生產成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應性強，處理量大，工作可靠，且能適應高溫高壓的一系列優點，使用范圍最廣［1-2］.近年來，新型殼程支撐形式的換熱器不斷涌現［3］，縱流殼程換熱器受到越來越多的關注，縱流殼程換熱器是指通過管束支承結構來代替傳統的折流板支承結構，使殼程流體主要呈縱流方式流動的一類換熱器［2，4-5］，由于其殼程流體縱向沖刷管束，與管程流體實現了近似完全逆流，有效溫差大，傳熱死區小，且支承結構對殼程流體擾動強，傳熱效率高，也有效地防止了流體橫向沖刷管束時引起的流體誘導振動.

對縱流殼程換熱器的進一步深入研究，是當前的一個重要課題，尤其對換熱器殼程中的流體流動與傳熱過程進行分析與研究有助于開發可靠、高效、經濟的換熱器結構.采用數值模擬方法對換熱器進行細觀分析與研究，是對實驗與理論研究的一個有益補充，促進了換熱器的進一步發展［6］.

筆者對一種帶狀支撐縱流殼程換熱器的殼程流體流動與傳熱特性進行了研究與分析，得到了殼程流場和溫度分布等細觀信息，對其在不同幾何參數及工況情況下的熱力性能進行了綜合分析，并將其特性與折流桿式支撐殼程特性進行了對比.

1 模型的建立

縱流殼程換熱器殼程內部結構復雜，工業應用中換熱器的結構尺寸過于龐大，如采用數值模擬方法對整個換熱器殼程進行模擬，受計算機軟硬件條件的限制，難以得到較為準確可靠的結果.

1.1 殼程模型的建立

縱流殼程換熱器殼程結構中除殼程殼體對其附近的流體流動與傳熱有較大的影響外，內部遠離殼體的支承結構具有的對稱重復性以及流體在殼程離開進出口段的流動具有周期性.在模擬計算中將整個殼程簡化為周期性單元流道模型.

換熱器的殼體直徑遠大于換熱管直徑，在殼程橫截面上，殼壁附近的流動對整個殼程中心主流區域的影響較小，且由于流動基本上呈現縱向流狀態，流體在徑向上的速度分量相對較小，因此符合對稱性簡化的要求;換熱器殼程長度較大，流體進入殼程后，除了在入口和出口處受進出口的影響流動狀況變化較大以外，在其余的整個殼程空間，受殼程結構周期性的影響，流體流動在充分發展后，呈現出一定的周期性，符合周期性簡化的要求.因此，周期性單元流道模型可以較為有效地反映縱流殼程換熱器殼程內流體流動的特性［7］.帶狀支撐縱流殼程換熱器的殼程周期性單元流道模型如圖1所示.Lb為支撐間距，一個周期性單元流道長度取2Lb.

圖1 周期性單元流道模型Fig.1 Periodic fluid flow unit model

圖1 中，面 1，2，3，4 設置為對稱面，面 5，6，7，8為計算模型中的換熱面，對應于管壁面，流道的兩個端面為周期性面，流體沿z軸正向先后經過兩個垂直排布的支撐結構.在周期性模型中，壓力可由壓力梯度來表征，壓力梯度可理解為單位長度的壓力降，其定義式為:

1.2 模型的正確性驗證

采用冷模實驗驗證有關數值模型的正確性.本實驗采用LDV測量某些關鍵點的流速.

根據實驗數據，橫截面中橫向的流體流速v比軸向的流速u小兩個數量級，因此可以把單元流道的邊界面設置成對稱面.

采用鄭州大學熱能工程研究中心計算關聯式［2］和 Phillips石油公司計算關聯式［5］，驗證折流桿換熱器殼程傳熱系數數值結果，對殼體直徑為1 000 mm的換熱器，在 Re數為10 000和15 000兩種情況下，數值計算結果與關聯式計算結果，Nu數誤差均小于10%.以上流動與傳熱的驗證結果表明，周期性單元流道模型可以用來計算縱流殼程換熱器的殼程特性，并且具有較高的精度與準確性.

1.3 研究結構殼程計算模型

建立帶狀支撐縱流殼程換熱器的殼程周期性單元流道模型如圖2(a)所示，為與傳統桿式支撐殼程特性相對比，建立相應桿式支撐殼程模型如圖2(b).模型中，換熱管外徑為25 mm，排列方式為正方形布管，中心距32 mm.

檢查節點數和網格質量后，在FLUENT中選用離散求解器和標準k-ε模型，打開能量方程，并在邊界條件中作如下設置:設置介質為水，將管壁溫度設置為400 K，將介質的入口溫度設置為307 K，邊界條件中壁面為標準無滑移壁面，周期性條件中設置單元流道內的流量，壓力速度的耦合采用SIMPLE算法，動量和能量離散方程求解均采用二階迎風格式.

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

2 計算結果與分析

2.1 流體流動與傳熱分析

支撐間距Lb為750 mm，單元流道內的流體的當量Re數為20 000時的相交交叉帶狀支撐結構中，周期性單元模型中間橫截面上的支撐結構附近速度矢量圖如圖3所示.

圖3 中間橫截面的速度矢量圖Fig.3 Velocity vectors on middle cross section

從圖3中看出，經過支撐板以后，在橫截面上速度分布沿z軸有很大程度混合，但流道中心處的流速總的來說較周邊低.在同一個橫截面上從模型周邊到中心處，也存在一個壓力梯度.流體經過支撐板時，隨流通面積的突然減小，流體以高速流出，在壁面出存在回流現象.由于回流和漩渦的存在，高速流體區域逐漸向流道中心發展，并逐漸達到均勻，碰到下一個支撐板，開始新的一輪變化，如此周而復始.

流體在經過周期性單元流道周期模型一個周期段過程中的溫度變化如圖4所示.支撐部件的管間區域，由于流速較高，傳熱速度較快;經過支撐板之后，由于回流的作用加速了管壁附近流體和該區域流體的混合，也帶動了后方高溫流體的回流，該部分流體溫度升高較快.隨著流動傳熱的繼續發展，傳熱速度下降，各橫截面上的溫度分布逐漸趨于均勻，直至接近下一個支撐結構.整個流道內的流體溫度沿z方向逐漸升高.

圖4 沿z方向不同截面的溫度分布云圖Fig.4 Temperature contours on sections along z axis

2.2 不同工況下的熱力分析

在同樣的質量流量下，隨著支撐間距的增大，壓降減小，傳熱系數降低，壓降隨支承的增大下降的幅度很大，而傳熱系數的下降較緩.在當量Re數為15 000時的壓降和傳熱效果隨支撐間距變化見圖5.且在同樣的支撐板間距下，隨著質量流量的增大，傳熱系數增大，壓降增大，在相同支撐間距下傳熱效果和壓降均隨流體質量流量的增大而增大.

圖5 壓降和傳熱效果隨支撐間距變化圖Fig.5 Heat transfer coefficient and pressure gradient changes with baffle pitch

在同樣的支撐板間距下，兩種殼程支撐結構方式導致了不同的傳熱效果和壓降大小.在相同支撐間距不同支撐結構方式下傳熱效果和壓降隨流體質量流量變化見圖6和7.由圖可知，在相同條件下，相交交叉帶狀支撐結構的傳熱系數較大，同時壓降也較大.

2.3 綜合性能分析

實驗和理論研究中發現管內對流換熱的強化往往以阻力的增加為代價，因此有必要對管內強化對流方式下的傳熱和流動阻力的綜合熱力性能進行評價.

Webb提出強化流道與光滑直管的直觀、明確的評價指標［7-8］，即①相同換熱面積和泵功條件下，強化流道與光管的換熱量之比;②相同換熱面積和換熱量條件下，強化流道與光管所耗的泵功之比;③相同泵功和換熱量條件下，強化流道與光管所需的換熱面積之比.在此，對本文所有簡化模型選擇單位面積、單位泵功上的傳熱量作為熱力性能評價的衡量指標.

流體流過換熱段所需泵功為

式中:A，Δp分別為計算模型中換熱管截面積和換熱段壓降.

以交叉帶狀支撐結構為對比基準，在數值模擬計算結果下不同結構方式支撐下的熱力性能如圖8所示.在筆者研究雷諾數范圍內，在Re數小于15 000時，熱力性能降低幅度較大，Re數大于15 000時熱力性能降低趨勢趨于平緩.

相同條件下，單位面積、單位泵功的傳熱量錯開交叉折流桿最高，這表明:在本論文研究范圍內，兩種支撐結構在兩種放置形式下，錯開折流桿具有較好的綜合性能.

3 結論

(1)在同樣流速及支撐間距下，傳熱系數最大的是相交交叉帶狀支撐結構，同時壓降最大的也是相交交叉帶狀支撐結構.流體通過相交交叉帶狀支撐結構時，沿換熱壁面形成高速流，流速較其它結構大，形成較強的湍流效果，增大了傳熱效果，同時也帶來了很大的壓力損失.

圖8 不同支撐結構單位面積單位泵功上的傳熱量對比Fig.8 Compare of heat transfer quantity per area and pump power for different structure

(2)相交交叉桿式支撐只在折流桿相交的區域形成高速流，對換熱面的直接影響相對較小，換熱面附近的低速流雖有漩渦，但強度較小，因此換熱面的對流換熱效果不如錯開桿式支撐.

(3)桿式支撐的殼程空隙率大，支撐結構下的流體流動壓力降要比帶狀支撐結構小的多，通過桿式支撐的擾流作用，流體形成了較大的湍流度，而且其衰減速度較慢，因此綜合熱力性能優于帶狀支撐.

［1］SUN Hai-yang，QIAN Cai-fu.Study of the heat transfer and flow resistance of large and small hole(LASH)baffle heat exchanger［J］.Applied Thermal Engineering，2013，54:536-540.

［2］董其伍，劉敏珊.縱流殼程換熱器［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［3］ZHANG Jian-fei，LI Bin，HUANG Wen-jiang，et al.Experimental performance comparison of shell-side heat transfer for shell-and-heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles［J］.Chemical Engineering Science.2009，64:1643-1653.

［4］KAKA? S，LIU H T.Heat exchangers:Selection，rating and thermaldesign［M］.Florida: CRC Press，2012.

［5］GENTRY C C.RODbaffle heat exchanger technology［J］.Chemical Engineering Process.1990，86(7):48-57.

［6］DONG Qi-wu，WANG Yong-qing，LIU Min-shan.Numerical and experimental investigation of shellside characteristics for RODbaffle heat exchanger［J］.Applied thermal engineering.2008，28:651-660.

［7］吳慧英，程惠爾，周強泰.基于Webb指標的管內強化對流換熱力性能的計算及應用［J］.上海交通大學學報.1999，33(3):377-379.

［8］WEBB R L.Principles of Enhanced Heat Transfe［M］.New York:Wiley＆ Sons，1994.