具有新型支撐結構換熱器的工作特性與分析

謝　果，高秀志，牛寧海

0　概述

換熱器是電站輔機設備中重要的組成部分，其換熱性能對發電機組的運行效率有著十分重要的影響。在電站輔機設備中，按照功能區分，換熱器大致可分為高壓、低壓給水加熱器、給水除氧器、凝汽器、閉式水水換熱器、汽封加熱器、滑油冷卻器等［1-2］。在有關換熱器的換熱性能、運行穩定性及制造工藝方面的研究中，有許多文獻提供了可用于工程設計的寶貴數據［3-7］。其中，縱流殼程換熱器是采用新型支撐結構的換熱器，其管束的新型支撐替代了傳統的折流板結構，可增強殼程介質在流動過程中的小范圍擾動，因此，提高了換熱器殼程的換熱系數，并減小了殼程壓降。

1　殼程縱流換熱器

在國外，對于殼程縱流換熱器的研究較早。在20世紀70年代，美國某石油公司就推出了折流桿式殼程縱流換熱器，具有優良的傳熱性能和水力性能。此后，世界各國對該類型換熱器展開了進一步研究。我國于20世紀80年代初，也開始了該方面的研究，包括繞流管的布置對流場及換熱性能的影響、殼程近壁區域流動換熱特性、條帶支撐結構換熱器的工作性能等［8-11］。

現以調研多種縱流殼程換熱器結構的基礎上，提出了一種具有新型支撐結構的縱流殼程換熱器的設計方案。該換熱器結構與常規的折流桿換熱器相比，其制造加工工藝較為簡單，成本更加低廉，在應用上具有一定的潛力。為此，采用FLUENT軟件，對具有不同導流頭支撐結構的換熱單元進行了數值模擬。根據導流頭前后錐角的變化，研究了不同錐角對換熱單元傳熱系數和流動阻力的影響，為縱流殼程換熱器的工程運用，提供參考。

2　工作原理

具有導流頭支撐結構的縱流殼程換熱器的結構，如圖1所示。

圖1　具有新型導流頭支撐結構的換熱器

殼側介質經外導流筒進入換熱管系區域后，沿軸向方向流動。由于在換熱管間均布置有導流頭，介質流經導流頭阻塞區域時，會伴隨有周期性的加速和減速，形成射流擾動，從而大幅提高管系殼側的表面傳熱系數。此外，該導流頭與換熱管緊密貼合，因此，在換熱管的中間區域形成了有效支撐。該型換熱器核心零部件的制造難度較低，安裝方便。在設計上，不用過多考慮管系與殼體的裝配間隙，從而降低了制造及加工成本。

3　CFD優化設計

縱流換熱器的導流頭，是該換熱器的核心零件。導流頭的主要作用有兩點，其一，是對管系進行支撐。其二，對殼程流體具有阻流作用，使殼程流體產生局部擾動，提高了殼程介質整體的換熱系數。殼程流體經導流頭作用后，其尾部產生的脫渦現象，對殼程介質的換熱具有重要影響。對換熱的影響程度，由導流頭前、后錐面角度的大小及流道尺寸等因素決定。利用CFD流體計算軟件進行模擬計算，取換熱管的外徑為16 mm，換熱管的橋距為20 mm，導流頭的阻流外徑為 11.2 mm，芯桿直徑為 6 mm，僅考慮導流頭錐面角度對尾部脫渦流體的影響。根據不同角度的導流頭，計算縱流換熱器的換熱效率及流動阻力。

3.1　計算區域的物理模型

在模擬計算中，以3×3阻流元件為計算單元進行計算，以便觀察完整的阻流單元尾部脫渦形態。流動換熱仿真計算的模型，如圖2所示。模型中，包含9個導流頭，對應了9組冷卻管外壁換熱面。計算模型長度為150 mm，導流頭外部支撐面的寬度為16 mm，導流頭距進口端面為50 mm。總換熱面積為0.068 m2。

圖2　流動換熱仿真計算模型

3.2　模擬計算及結果分析

建模后進行了網格劃分，將殼程與管程的介質定義為水，換熱壁面為不銹鋼。殼程介質的進口溫度為35℃，流速為0.5 m/s，不銹鋼換熱表面的溫度為65℃。在計算過程中，忽略污垢系數對換熱效率的影響。

3.2.1計算結果(錐面角均為45度)

計算所得的截面壓力云圖，如圖3所示。由計算結果可知，單個導流頭及150 mm流程內的介質壓降，為620 Pa，壓降主要集中在導流頭前部入口段。

圖3　X=0截面上的壓力云圖

計算所得的截面速度云圖，如圖4所示。根據計算結果，殼程介質經縮口流道后，流體被加速，最大流速為 1.13 m/s。提速比為2.26(最大流速/入口流速)。此外，據圖4可知，由于導流頭的存在，使流體在流經縮放口的過程中，形成了很好的引射流作用，強化了流體的擾動過程。

圖4　Y=0、Z=50 mm截面上的速度云圖

計算區域內流場的速度矢量分布圖，如圖5所示。由圖5可知，在導流頭引射流作用下，殼程流體在很大區域內都存在強烈擾動，因此，該擾流設計是可行的。統計了最終計算結果后，得到換熱壁面的總體換熱功率為8 354 W，換熱壁面的表面傳熱系數為 h=Q/(△T×A)=8 354/(57.5×0.068)=4 273.1 W/(℃·m2)。

圖5　計算區域的速度矢量圖

3.2.2不同錐角對換熱性能的影響

分別按不同的導流頭角度，計算區域內的平均表面傳熱系數。計算所得的表面傳熱系數，如表1所示。表面傳熱系數隨前后錐角變化的曲面圖，如圖6所示。由計算可知，當導流頭的角度不同時，區域內表面傳熱系數為4 200～4 400 W/(℃·m2)，變化的浮動范圍，約為±2%。同樣，據計算結果可知，隨前后錐角角度的增大，換熱系數也在增加。因為前后錐角的增大，將加劇流動區域內的紊流強度，削弱流體換熱邊界層的厚度，從而提高了換熱系數。然而，換熱系數隨錐角的變化，并不是簡單的線性關系。在一定范圍內，增大前后錐角的同時，雖然會增強局部區域的換熱，但也會使出口射流的影響區域變小。由圖6可知，在曲面中間位置，存在一條曲線(拐點連線)。在曲線之后，換熱系數隨前后錐角的增大而提高的趨勢開始變緩。

表1　不同導流頭錐角對應的表面傳熱系數單位:W/(℃·m2)

圖6　表面傳熱系數隨前后錐角變化的曲面圖

3.2.3不同錐角對流動性的影響

評估換熱器性能的優劣，除了傳熱性能之外，還包括了介質在換熱器中的流動性，即壓降。在模擬計算中，換熱器繞流支撐元件的間距，取150 mm。在工程中，只需要根據計算結果乘以換熱器的布置單元個數，即可得換熱器的整體壓降。據表2可得，單元的壓降均為500～700 Pa，變化浮動的范圍，約為±20%。相比于錐角對表面傳熱系數的影響，錐角對壓降的影響更明顯。區域內壓降隨前后錐角變化的曲面圖，如圖7所示。由圖7可知，區域內的壓降，隨前后錐角的變化整體呈現上升趨勢，前錐角與壓降有著相應的變化規律。前錐角增大，使導流頭的阻流系數增加，從而導致了壓降增大。后錐角對壓降的影響，不如前錐角的影響那么明顯。在前錐角相等的條件下，壓降通常隨后錐角增加而先增大再減小。后錐角對壓降的影響，可結合數據及圖4可知，當后錐角較小時，脫渦流體的流動較為平緩，擾動強度小，擾動區域大;當后錐角較大時，脫渦現象較為劇烈，擾動強度大，但擾動區域小。因此，壓降與后錐角之間的關系，也不是簡單的線性關系。

表2　不同導流頭錐角對應的壓降　單位:Pa

圖7　區域壓降隨前后錐角變化的曲面圖

4　結語

采用新型支撐結構的縱流殼程換熱器，具有良好的換熱性能。依據數值模型，對計算單元內的換熱量進行了模擬計算，研究了該換熱器殼側介質的流動特性及溫度分布狀態。經分析后認為，縱流殼程換熱器具有幾個方面的特性。

(1)新型縱流殼程換熱器，是通過導流頭使流經介質形成周期性引射流，從而強化了換熱。

(2)換熱器的表面傳熱系數及壓降，均隨前后導流頭錐角的增加而變大。

(3)表面傳熱系數及壓降，隨錐角的大小而變化，但在計算結果的曲面中間區域，出現了數值變化減緩的趨勢。因此，經綜合考慮，取前錐角為45°，后錐角為60°，是比較理想導流頭的設計值。既可確保區域內的換熱效率，還不會有較大的壓降。

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