折流板幾何結構對換熱器性能影響的數值模擬

龔發云， 葉方平， 湯 亮， 李曉敏

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、航空及其他許多工業部門廣泛使用的一種通用工藝設備．在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%～20%；在煉油廠中，該項投資約占總投資的35%～40%．鑒于換熱器在工業生產中的重要作用及其能耗大的現狀，改進和提高換熱器的性能及傳熱效率成為節能降耗的重要途徑[1]．管殼式換熱器的綜合性能由多個指標構成，換熱器殼程中的流動與換熱情況相對來說比較復雜，并且殼程內部的流動情況和換熱特性對換熱器的性能有著直接的影響，相反，換熱器列管中的流動規律可用相關的公式進行計算得到，而且其對換熱器性能的影響不大，所以需要對換熱器殼程中的流動與換熱情況進行探究．鄧斌[2]等和沈人杰[3]等應用CFD方法對螺旋折流板換熱器進行了數值模擬，黃興華[4]等采用多孔介質模型和合適的分布阻力方法將弓形折流板換熱器數值模擬結果與實驗結果進行了對比，張少維[5]等將弓形折流板換熱器和螺旋折流板換熱器的工作特點進行了數值模擬的對比，Ender Ozden[6]等應用CFD方法探討了單弓形折流板換熱器在不同湍流強度下的流動與換熱情況．曲面型折流板換熱器等新型換熱設備雖然有其優點，但是其幾何結構復雜增加了機械加工的難度，導致單弓形折流板換熱器的使用仍然比較廣泛，所以對弓形折流板換熱器殼程流動和換熱性能方面的研究十分必要．

1 流體流動與傳熱的控制方程

1.1 質量守恒方程(連續性方程)

質量守恒定律可以表述為：單位時間內流體微元體中質量的增加等于同一時間內流入該微元體的凈質量[7]．按照這一定律，可以得出質量守恒方程：

1.2 動量守恒方程

動量守恒方程可表述為:微元體中流體動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和[7]．按照這一定律，可以得出動量守恒方程：

X方向，

Y方向，

Z方向，

橋梁工程是我國建設工程中的重要組成部分，隨著科學技術水平的不斷進步，BIM技術作為一種現代化的模型構建技術在橋梁工程施工中發揮了卓越的應用效果。非對稱外傾拱橋是一種形式特殊的橋梁，其施工過程難度較大，如何在非對稱外傾拱橋的施工過程中對BIM技術進行有效利用，提高工程的施工質量，成為大量研究學者關注的內容。

式中：f為流體單位質量的體積力；μ為流體的動力粘度；λ為流體的第二分子粘度，對于氣體可取為λ=-2/3．

1.3 能量守恒方程

能量守恒方程是包含有熱交換的流動系統必須滿足的基本定律，可表述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功[7]．按照這一定律，可以得到溫度T為變量的能量守恒方程：

式中：Cp為比熱容；T為溫度；λ為流體的導熱系數；ST為粘性耗散項，即流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分[7]．

2 計算模型

2.1 換熱器幾何結構參數

數值模擬的的單弓形折流板換熱器包括4種不同高度的折流板和3種不同的折流板間距．換熱器如圖1所示．這些換熱器的外形尺寸都相同，其中殼體外徑為273 mm，殼體長度為1 632 mm，換熱管直徑為25 mm且都呈正三角形排列，折流板厚度均為6 mm．

圖 1 換熱器幾何結構圖

2.2 數值模擬和邊界條件的確定

殼程流體為空氣，換熱器入口溫度為298 K，管程溫度為定值378 K．基于不可壓縮的牛頓型流體，在常物性和宏觀熱能守恒的假設下，換熱器管程和殼程流體的流動和熱量傳遞必須滿足連續性方程、動量守恒方程以及能量守恒方程[8]．

流場使用基于有限體積法的Fluent求解軟件進行數值模擬．前處理中的三維幾何模型使用正交六面體網格進行劃分，數值模擬過程中使用三維單精度求解器，空氣入口處為速度入口邊界(Velocity-inlet)、空氣出口邊界條件為Outflow，壁面邊界條件設置為無滑移邊界(no-slip)、選擇基于壓力的半隱式求解方式，激活標準k-ε湍流方程、在求解參數的過程中根據模擬的實際問題選擇流動方程(Flow)和湍流方程(Turbulence)、湍流耗散率和湍動能方程的離散均采用二階迎風格式(Second Order Upwind)．由于在Fluent軟件中有4種速度-壓力耦合算法，在本次模擬過程中采用基于非結構網格的SIMPLE算法．

3 計算結果的分析及討論

3.1 不同入口速度對換熱的影響

在邊界設置中將入口速度設置為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s分別計算，得到不同進口速度的溫度分布云圖(圖2)，從圖2中可以看出，隨著換熱器入口速度的增加，折流板之間的高溫區域趨于減少，死區面積減少，換熱器的有效換熱面積得以擴大，從而提高了傳熱效率．數值模擬中對進口速度設置較小，進口速度與換熱量之間是近似線性比例關系(圖3)．

圖 2 不同速度入口的溫度分布云圖

圖 3 速度與換熱量之間的關系

3.2 不同折流板間距對換熱的影響

在初始網格建模時分別設計了折流板間距為100 mm、200 mm、400 mm的換熱器，其中入口速度設置為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4m/s分別計算，得到不同折流板間距入口速度與換熱量之間的曲線和不同折流板間距入口速度與壓降之間的關系曲線．從圖4可以看出，在同一速度的分布上，當入口速度為4 m/s，折流板間距為100 mm時，由于折流板間距的減小，導致換熱器的換熱量增加幅度趨于20%，隨著折流板間距的逐漸減小，換熱器的換熱量趨于隨之增大．

殼程流體流動壓降直接影響到動力消耗，是反映換熱器性能的重要指標之一[9]．從圖5中可以看出，隨著折流板間距減小，換熱器的壓降隨之增大，而且折流板換熱器壓降均隨空氣入口速度的增加而呈遞增趨勢．

圖 4 不同折流板間距入口速度與換熱量之間的關系

圖 5 不同折流板間距入口速度與壓降之間的關系

3.3 不同折流板高度對換熱的影響

在計算折流板高度變化對換熱器殼程流動與換熱過程中，采用折流板間距為200 mm的換熱器模型，以折流板高度作為變量，分別取128.5 mm、144.5 mm、160.5 mm、176.5 mm，換熱器進口速度取3 m/s(圖6)．

圖 6 不同折流板高度的溫度分布云圖

從4個不同折流板高度模型計算的溫度場云圖可以看出，隨著折流板高度的增加，殼程溫度降低程度越來越明顯，由于流體對換熱管壁的沖刷，換熱強度有所下降，因此，在換熱器殼程中的局部區域出現較低的溫度區域．

為了便于顯示殼程流體的流動狀態，選取了中間對稱剖面的速度矢量圖(圖7)，從所示界面的速度矢量云圖可以得出，隨著折流板高度的增加，受到折流板的阻擋作用增強，流體流通的主流區域集中于折流板窗口的縱向延伸方向，流體流向改變的位置愈加接近下一個折流板，同時流動死區也逐漸增大，主流區流速大大高于其他區域流速，流速分布的不均勻性更加突出．

圖 7 不同折流板高度的速度矢量圖

壓力損失和傳熱系數是衡量換熱器性能的兩個重要指標，但是從優化設計的角度出發，單獨通過任何一個參量確定換熱器整體性能的優劣顯然不可取，目前國內外使用較多的處理方法是以單位壓力損失下換熱系數的大小作為衡量標準來綜合評估換熱器的整體性能[9]．

圖 8 不同折流板高度與換熱量之間的關系

圖 9 不同折流板高度的換熱性能指標

圖9顯示，隨著折流板高度的增加，換熱器性能指標有著明顯下降的趨勢，盡管圖8中曲線顯示折流板的幾何高度對換熱量有明顯增大作用，但是由于折流板越高造成的殼程流體壓降升高，因此造成換熱性能指標下降．

4 結論

1)在同一折流板物理模型中，換熱器入口速度的增加會使折流板之后的高溫區域減少，換熱死區面積的減少，增大換熱器的有效換熱面積，提高傳熱效率．在模擬過程中設置的進口速度很小，產生了換熱量與進口速度之間近似線性比例的關系．

2)折流板間距越小即折流板數目越多，換熱器的換熱量趨于隨之增大，但是殼程壓降卻急劇上升．

3)折流板高度升高時，流體流動換向的缺口面積變小，使得換熱器的換熱量得到增加，但換熱器性能指標是下降的．

[參考文獻]

[1] 古 新.管殼式換熱器數值模擬與斜向流換熱器研究[D].鄭州：鄭州大學圖書館，2006.

[2] 鄧 斌，吳 揚，陶文銓.螺旋折流板換熱器殼側流動的數值模擬[J].西安交通大學學報，2004，38(11):1 106-1 109.

[3] 沈人杰.螺旋折流板換熱器數值模擬研究[D].西安：西安交通大學，2003.

[4] 黃興華，王啟杰，陸 震.管殼式換熱器課程流動和傳熱的三維數值模擬[J].化工學報，2002，30(07)：15-18.

[5] 張少維，周榮蘭，桑芝富.折流板間距對換熱器性能影響的數值研究[J].南京工業大學學報，2005，27(03)：65-68.

[6] Ender Ozden，Ilker Tari.Shell side CFD analysis of a small shell-and-tube heat exchanger[J]. Energy Conversion and Management，2010(51):1 004-1 014．

[7] 周俊杰，徐國權,張 華,等.Fluent工程技術與實例分析[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[8] Prithiviraj M，Andrews MJ. Three dimensional numerical simulation of shell- and-tube heat exchangers [J]. Numerical Heat Transfer，1998(33)：799-916.

[9] 喬志晶. 弓形折流板換熱器殼程流體流動與傳熱的數值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學圖書館，2011.