基于Fluent的管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數值模擬

欒艷春 陳義勝 龐赟佶

（1.內蒙古科技大學能源與環境學院 2.內蒙古科技大學分析測試中心 3.大連理工大學能源與動力學院）

0 引言

換熱器是能源、石油、化工等行業廣泛應用的工藝設備，它不僅可用于調節介質的溫度，滿足實際生產的需要，同時也可用于余熱回收領域。管殼式換熱器更以其結構可靠、技術成熟、設計與制造相對簡單、生產成本低、承受高溫高壓、選材范圍廣、適應性強、處理清洗方便等優點[1]，在能源轉化和利用領域得到廣泛的應用。國內外很多學者都對管殼式換熱器進行過深入細致的研究[2]。由于換熱器的幾何結構、內部流動和換熱過程較為復雜，因此人們不斷地尋求更為先進有效的研究手段。隨著計算機及CFD技術的發展，數值模擬的方法已經成為新型高效換熱器輔助設計的重要手段之一。

折流板缺口高度是影響換熱器殼側（殼程）流動的重要因素之一。朱聘冠[3]指出，殼側無相變時，折流板缺口高度占殼體內徑 25%時，換熱器整體性能最好。程林、高緒棟[4]等指出，折流板缺口高度占殼體內徑40%時，換熱器整體性能最好。關于殼側折流板缺口高度問題，學者們眾口不一，但缺口高度變化范圍均在殼體內徑的20%～40%之間。針對此問題，本文以管殼式換熱器為研究對象，運用Fluent軟件建立管殼式換熱器殼程流場三維實體模型，重點研究在相同換熱器尺寸條件下，不同的折流板缺口高度所對應的換熱器殼程流體的溫度場、壓力場。通過對模擬結果進行分析，可以得到折流板缺口高度對換熱器的殼程流體流動、溫度分布、殼程壓降和換熱效率的影響。

1 模型的建立

1.1 數學模型

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，管殼式換熱器殼程流體流動和傳熱必須滿足以下3個控制方程[5]。

（1）質量守恒方程 （連續性方程）

若為不可壓縮流動，ρ為常數，則有

（2）動量守恒方程

（3）能量守恒方程

1.2 換熱器的結構參數

幾何模型采用管殼式換熱器，結構為單管程、單殼程和單弓形折流板，換熱器的結構參數如表1所示，換熱器的工況參數如表2所示。對于幾何模型的建立則采用不同的折流板高度 （0.2D、0.25D、0.3D、0.35D、0.4D），以便對模擬結果進行分析對比。

表1 換熱器結構參數

表2 換熱器工況參數

1.3 計算模型與計算條件的簡化

首先，進行模型的簡化與假設。由于換熱器殼程結構較復雜，在保證相關物理量準確的前提下，建立模型時作如下簡化和假設[6]： （1）折流板與換熱管間隙不考慮； （2）對流體流動作穩定假設；（3）假設流體物性如密度、黏度、比熱容等不隨溫度、壓力和時間而變化;（4）流體為牛頓流體，不可壓縮； （5）殼程僅由殼體、折流板、管板和換熱管束組成。建立的幾何模型如圖1所示。

圖1 管殼式換熱器計算模型

其次，進行計算邊界條件的簡化。 （1）殼體光滑，無滑移邊界條件，殼體壁面為絕熱壁面；（2）假設換熱管外壁溫度為恒溫； （3）中心面為對稱邊界； （4）速度進口和壓力出口條件邊界，出口表壓力為0。

1.4 模型的計算

（1）將網格文件導入Fluent軟件中，檢查網格并對網格進行平滑處理。

（2）設置基于壓力的求解器，開啟能量方程，設置標準的雙方程κ-ε湍流模型，流體介質均設置為不可壓縮流體[7]。

（3）設置邊界條件。分別設置殼程流體的入口、出口、換熱管壁面的邊界條件。

（4）設置松弛因子，對流場進行初始化，打開殘差圖。

（5）進行迭代計算。剛開始可設置較小的迭代次數，若不收斂，可增大迭代次數繼續迭代，直到收斂為止。

2 計算結果與討論

2.1 殼體流動狀況

圖2為換熱器殼程流體流動示意圖。從圖2可以看出，換熱器殼程流體流動呈弓字形流動，流動主流區速度較大。兩塊折流板之間，在主流區的腹側，則為流動渦流區，即流動死區。流動死區的存在減小了殼程錯流面積，降低了流體的流速，減小了換熱面積，從而降低了換熱器的換熱效率。

圖2 換熱器殼程流體流動

為了更直觀地觀察換熱器殼程流動狀態，取兩塊折流板之間的區域作為觀察段，其流動狀態如圖3（a）～ （e） 所示。 從圖3（a）～ （e） 可看出，折流板缺口高度的增加，有效地減小了渦流區的流動面積，增加了有效傳熱面積。缺口高度增加時，由于流速降低，殼程壓降相應隨之降低。綜上所述，折流板缺口高度變化時，其換熱及壓降特性都將隨之變化。

圖3 不同缺口高度時的殼程渦流流動

2.2 溫度變化狀況

圖4（a）～（e）為折流板缺口高度為0.2D～0.4D時殼程流體溫度變化圖。從圖4（a）～（e）可看出，殼程流場的換熱狀況和其流動狀況是緊密相關的，殼程溫度由換熱器進口沿殼體長度方向呈遞增變化，當折流板缺口高度增加時，殼程主流區流動面積增大，流速減小，殼程溫度場分布均勻性增強。

圖4 不同缺口高度時的殼程溫度變化

圖5和圖6分別為管程流量一定、殼程流量遞增的工況下，管程流場進出口溫差和殼程流場進出口溫差變化圖。由圖5和圖6可看出，在折流板缺口高度一定時，管程流場溫差隨流量的增加而遞減，殼程流場溫差隨流量的增加而減小；當管程、殼程流量都一定時，隨著折流板缺口高度的增加，管程、殼程進出口溫差都是降低的，換熱器的換熱量也因此而減少。

圖5 不同折流板缺口高度時的管程溫差

圖6 不同折流板缺口高度時的殼程溫差

為確定殼程在不同折流板缺口高度時對流換熱的強弱，在殼程流量一定時，計算不同折流板缺口高度時的Nu數。由圖7可得，努賽爾數Nu隨折流板缺口高度的增大而減小，即殼程流量一定時，換熱器殼程對流換熱效果隨折流板缺口高度的增大而減小。

圖7 不同折流板缺口高度時殼程的Nu數

2.3 壓降變化

圖8為殼程壓降隨殼程流量變化的曲線圖。當折流板缺口高度一定時，殼程壓降隨流量的增加而增大，且在不同的缺口高度下，其壓降隨流量變化的趨勢基本一致，均呈線性增加。

圖9為殼程壓降隨折流板缺口高度變化的曲線圖，換熱器殼程壓降隨折流板缺口高度的增加而減小。當折流板缺口高度由0.2D增加到0.25D時，殼程壓降變化最劇烈；當缺口高度由0.25D增加到0.4D時，殼程壓降呈線性降低，且降低程度較緩和。這說明，當缺口高度達到一定時，繼續增加缺口高度其所引起的壓降程度已不能為優化換熱器性能提供明顯的幫助。

圖8 換熱器殼程壓降隨流量的變化

圖9 換熱器殼程壓降隨折流板缺口高度的變化

為了解換熱器內部流體充分發展段的壓降變化情況，取折流板端部與殼程內壁中間處為參考面，在兩塊折流板間取10個參考點，其分布如圖10所示，圖中點 1～3、點8～10為折流板缺口區參考點，點4～7為錯流區參考點。

圖10 流動單元參考點分布

圖11為圖10中10個參考點的壓力值。

圖11 參考點壓力值

經計算，換熱器殼程在流體流動過程中，缺口區壓降及錯流區壓降占每個流動單元的比例是一定的，其中，缺口區壓降比例約為94%，錯流區壓降比例約為6%。折流板缺口高度對殼程壓降分布比例影響很小。但增加折流板缺口高度，可有效減小殼程壓降。因此，可通過改變折流板高度對換熱器進行壓降優化。

2.4 性能評價

對于換熱器，在提高其換熱效率的同時，也希望相應消耗的動力盡可能小。目前，研究換熱器殼程流動和傳熱的文獻中，對于換熱器殼程普遍通用的評價指標是Nu/Δp。為使不同工況下的換熱器殼程性能對比更加明顯，以折流板缺口高度為0.2D時的計算數據為參考，采用進行評價。

圖12為殼程流量一定時，不同折流板缺口高度下換熱器殼程性能折線圖。

圖12 不同折流板缺口高度下殼程性能

由圖12可以看出，當折流板缺口高度為0.2D時，其換熱器性能最佳，隨著折流板缺口高度的增大，換熱器整體性能逐步降低。

3 結論

本文針對換熱器殼程不同折流板缺口高度對換熱器性能的影響進行了分析和研究。利用Fluent軟件，對五種折流板缺口高度進行了三維數值模擬，得到了不同折流板缺口高度及入口流量情況下換熱器殼程流體的溫度場和壓力場，結論如下：

（1）通過對殼程流體每一流動單元的計算和分析，得到了不同折流板缺口高度對渦流區的影響規律。隨著缺口高度的不斷增加，渦流區面積逐漸減小，增加了有效傳熱面積，換熱器的換熱量逐漸增加。

（2）換熱器殼體溫度由進口沿殼體長度方向呈遞增變化，隨著折流板缺口高度的增加，殼體主流區流動面積增大，流速減小，殼體溫度場分布均勻性增強，管程、殼程進出口溫差逐漸降低，換熱器的換熱量逐漸減少。

（3）通過換熱器性能因子對換熱器整體性能的影響分析，得出在缺口高度不斷增加的五種工況下，折流板缺口高度為0.2D時，殼程性能最為理想，缺口高度為0.4D時，性能最差。

[1] 鄧斌，陶文銓.管殼式換熱器殼側湍流流動的數值模擬及試驗研究 [J].西安交通大學學報，2003，37(9)：889-893.

[2] WorachestPirompugd,Wang Chi-Chuan,Somchai Wongwises.Finite circular fin method for wavy fin-antube heat exchangers under fully and partially wet surface condition[J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2008， 51： 4002-4017.

[3] 朱聘冠.換熱器原理及計算 [M].北京：清華大學出版社，1987：8-14.

[4] 高緒棟.管殼式換熱器的數值模擬及優化設計 [D].濟南：山東大學，2009.

[5] 陶文銓.數值傳熱學 [M].西安：西安交通大學出版社，1988.

[6] 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，2011，62(5)：1233-1238.

[7] 古新，董其伍，王珂.縱流殼程換熱器殼程近壁區流場和溫度場數值研究 [J].工程熱物理學報，2009，30(4)：683-686.