密封條對六分螺旋折流板換熱器殼程側換熱影響

馬 璐，王 珂，許偉峰，劉敏珊

（鄭州大學 河南省過程傳熱與節能重點實驗室，河南 鄭州 450002）

1 引言

管殼式換熱器是工業過程應用最廣泛的一種換熱換熱器[1]。折流板在換熱器殼程側除起到管束支撐作用外，還可使殼程側流體產生期望的流形和流態[2]。上世紀九十年代初，一種新型冷換設備-螺旋折流板換熱器開始應用于工業領域，其殼程側呈螺旋流動[3]。根據流路分析法，可將換熱器殼程側流動分為主流區，漏流（折流板或管板與換熱管間隙），旁路流（折流板外徑與殼體內壁之間的旁路流與管束外圍到折流板外緣旁流）三個主要部分[4]。后面兩種流態存在的主要原因是制造和安裝方法的限制[5]：漏流一般是不可避免的，而旁路流的存在使得部分流體無法與主流區的流體一樣獲得同樣的換熱接觸面積，使得這部分流體的溫差減小，進而降低殼程換熱性能。密封條是裝配在折流板上，平行于管束，能迫使旁路流流入主流區，從而提高殼程側換熱系數的一種金屬元件，能夠減少部分旁路流的存在，進而提高殼程側換熱系數[6]。文獻[7]中對帶有密封條的弓形折流板換熱器實驗研究表明，密封條的存在能夠有效堵住管束和殼體內徑之間的流體，減少旁路流，殼程換熱系數提高（18．2～25．5）%，壓力損失增加（44．6～48．8）%；文獻[8]中對安裝有密封條的連續性螺旋折流板換熱器和三分扇形螺旋折流板換熱器進行了數值研究，肯定了密封條對殼程側傳熱提高的有效性，也分析了其對連續性和非連續性螺旋折流板換熱器影響的不同。現存文獻對六分扇形螺旋折流板換熱器中的密封條的研究較少，故將分析密封條的存在及結構參數的改變對六分扇形螺旋折流板換熱器殼程側的影響，為今后非連續性螺旋折流板換熱器的設計提供一定的參考。

2 數值計算模型

2.1 物理模型

根據非連續性螺旋折流板剪裁方式不同，一種用90°扇形剪裁周向部分重疊[10]，另一種采用60°扇形剪裁周向首尾相接；兩者均沿換熱器殼程內壁周向，每隔60°布置一折流板：文中選取軸向安裝角為30°的六分扇形螺旋折流板換熱器建立計算模型，分析密封條對其殼程側流動傳熱的影響。換熱器的基本結構幾何參數，如表1和表2所示。

表1 換熱器結構尺寸Tab.1 Structure Parameters of Heat Exchanger

表2 不同折流板的結構尺寸Tab.2 Structure Parameters of Different Baffles

2.2 基本假設與邊界條件

采用整體計算模型，計算區域物理模型，如圖1所示。圖1為60°和90°六分螺旋折流板換熱器模型（有密封條）。在計算范圍內，Re以殼程當量直徑定義，流動均在湍流狀態，不考慮浮力和重力的影響，忽略折流板管孔與換熱管之間的間隙漏流；采用流體計算軟件ANSYS Fluent，使用RNG k-ε湍流模型，以常溫下20℃的水為殼程流體，采用質量流量進口，壓力出口，換熱管壁為70℃恒溫邊界，殼程外壁面為絕熱壁面。壓力速度的耦合采用SIMPLE算法，動量和能量的離散采用二階迎風格式。

圖1 計算區域模型示意圖Fig．1 Schematic Diagrams of Calculation

2.3 網格獨立性與方法驗證

鑒于螺旋折流板換熱器結構比較復雜，故用非結構法進行劃分：考慮換熱管附近壁面溫度和速度梯度較大以及邊界層效應，對網格進行了三次細化。為了驗證網格無關性，以90°扇形布置的六分螺旋折流板換熱器為驗證對象，得到了327萬，646萬，918萬，1183萬4組不同的計算網格：當殼程雷諾數為2000時，分別對其進行了模擬計算，其換熱系數和壓降的變化規律，如圖2所示。可知，計算結果相差在3%以內為后兩組數據，綜合考慮計算能力和計算精度，最終確定網格數目為918萬。為了驗證數值計算方法的可靠性，采用方法對文獻[9]中傾角為35°連續性螺旋折流板換熱器進行數值模擬；計算結果與實驗結果對比，如圖3所示。由圖中可以看出，計算得出的殼程側換熱系數與實驗值偏差為（3．23～10．7）% ，這在工程上是允許的，證明了數值計算結果的可靠性。

圖2 殼程側換熱系數和壓降隨網格數量變化Fig．2 Shell-Side Heat Transfer Coefficient andPressure Drop Versus Grid Number

圖3 殼程側換熱系數的實驗值與模擬值對比Fig．3 Comparison of Heat Transfer Coefficient Between Experiment Results and Simulation Results

3 計算結果分析

3.1 整體流場分布

Re=2000時，90°扇形組成的六分扇形螺旋折流板換熱器殼程側流體流線圖，如圖4所示。在折流板的導向作用下，殼程流體整體呈螺旋流動；兩者的區別在于，密封條使得旁路流更多的流向中心主流區，故存在密封條的殼程側中心區流線較無密封條的更為密集。密封條迫使螺旋折流板換熱器殼程側管束與殼程內壁間的流體更多的進入主流區，沿布管中心至管束邊緣流體的湍動強度逐漸增加；故，密封條的存在能夠使得部分旁路流重新進入主流區，進而增強了螺旋折流板換熱器的殼程側換熱。

圖4 殼程流體流動整體流線分布Fig．4 Overall Streamlines Distribution of Shell Side

3.2 殼程傳熱系數和壓降分析

不同六分扇形螺旋折流板換熱器殼程側換熱系數與壓降隨殼程Re變化的曲線，如圖5所示。兩種六分扇形螺旋折流板換熱器的殼程換熱系數和壓降均隨殼程Re的增加而增加。存在密封條時，兩者的殼程換熱系數均有所增加：當Re在（2000～6000）范圍內，60°扇形組成的螺旋折流板換熱器換熱系數提（3．27～6．01）%，而90°扇形組成的螺旋折流板換熱器提高（4．55～10．1）%，密封條使得90°扇形組成的螺旋折流板換熱器殼程側換熱系數增加的幅度高于60°扇形的。密封條的存在，使得殼程壓降增加：當Re在（2000～6000）范圍時，60°扇形組成的螺旋折流板換熱器的殼程側壓降增加（5．00～10．9）%，90°扇形組成的螺旋折流板的殼程側壓降增加（6．4～14．92）%。90°扇形在組成螺旋折流板時，中間有部分折流板在流路中重疊交錯，減少了三角區部分的漏流，提高了殼程流體的整體螺旋性[10]，密封條的存在使得管束與內壁間的旁路流能夠重新進入主流區與換熱管壁進行換熱；60°扇形組成螺旋折流板時，殼程軸向安裝傾角的存在使得主流區出現了三角區漏流，降低了這部分流體與主流區的換熱機會，但密封條迫使部分旁路流進入主流區，而由于三角區的存在，使得進入的這部分旁路流體仍會繼續通過三角區，故對其殼程側換熱系數有一定程度的提高，仍低于90°扇形組成的螺旋折流板換熱器。密封條的存在，使得90°扇形組成的螺旋折流板換熱器殼程側的換熱系數和壓降都得到了一定程度的提高，但高于對60°扇形組成的螺旋折流板組成的換熱器。可以得出：密封條對90°扇形組成的六分扇螺旋折流板換熱器殼程側的傳熱和壓降影響較大；故下文中，如無特殊說明，主要考慮密封條對90°扇形組成的六分扇螺旋折流板換熱器殼程側的影響。

圖5 殼程換熱系數和壓降隨雷諾數的變化曲線Fig．5 Curves of Heat Transfer Coefficient and Pressure Drop of Shell-Side

3.3 密封條結構對殼程側傳熱的影響

為了討論密封條的結構變化對殼程側熱力性能的影響，保持殼程側其他參數不變：當密封條寬度與管束和殼程內壁間隙比值為 0時，表示無密封條存在；依次建立比值為 23．6%，50%，76．5%和94．1%的換熱器殼程側模型，密封條寬度由管束中心方向沿殼體徑向增加。螺旋折流板換熱器側殼程換熱系數、壓降和單位壓降換熱系數隨密封條寬度與間隙比值的變化曲線，如圖6所示。

圖6 殼程換熱系數和壓降隨密封條寬度的變化曲線Fig．6 Curves of Heat Transfer Coefficient，Pressure Drop and Heat Transfer Coefficient Under Unit Pressure Drop With Different Width of Sealing Strips

根據結果分析得出，當密封條寬度與間隙比值最大時，殼程換熱系數最大，同時壓降損失也最高。當密封條寬度與間隙比值低于 76．5%，Re在（2000～4000）范圍內，換熱系數的增加不甚明顯，但壓降一直增大。當寬度與間隙比值增加至大于76．5%之后，換熱系數增加的幅度也較之前提升：當比值為76．5%和94．1%，換熱系數較比值 50%時分別提高（1．8～5．05）%和（5．5～8．62）%，壓降增加（2．5～5．86）%和（6．22～10．6）%。由圖（c）中的單位壓降換熱系數中的變化可以看出，單位壓降換熱系數隨著Re的增加而減小，呈下降趨勢；隨著密封條寬度的增加而增大，呈上升趨勢。在密封條寬度與間隙比小于94．1%時，單位壓降換熱系數隨逐漸增大，但增加幅度較小；在密封條寬度與間隙比在94．1%時，較無密封條時單位壓降換熱系數增加（8．05～17．8）%。

4 結論

（1）兩種六分扇形螺旋折流板換熱器的殼程換熱系數、壓降均隨殼程Re的增加而增加；而密封條的存在，使90°扇形六分螺旋折流板換熱器殼程側的換熱系數較60°扇形六分螺旋折流板換熱器增加（1．28～4．09）%，而壓降增加（1．4～4．02）%。（2）密封條寬度與間隙比值越大，殼程的換熱系數也越大，壓降也隨之增加：當比值低于50%時，對換熱系數的影響較小；當比值大于50%后，換熱系數變化較大。當比值達到94．1%時較無密封條時換熱系數和壓降分別增加（4．55～10．1）%和（6．4～14．92）%。（3）當密封條寬度與間隙比值為94．1%時，單位壓降換熱系數最大，較無密封條時單位壓降換熱系數增加（8．05～17．8）%；故可認為，當密封條寬度與間隙比值達到一定程度時，可有效地強化傳熱。

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