螺旋折流板熱交換器熱固耦合傳熱數(shù)值模擬

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(南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211800)

管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)堅固、操作彈性大和可靠性高等特點，被廣泛應(yīng)用于石油、石化及能源等領(lǐng)域，其性能直接影響著整套工藝的能效[1-2]。雖然管殼式熱交換器的結(jié)構(gòu)和熱力設(shè)計都比較成熟，但依然存在著流動阻力大、易結(jié)垢、難清洗、易振動和傳熱系數(shù)低等問題[3-4]，對其性能的改善及效率的提高等方面的研究引起了越來越多的關(guān)注。螺旋折流板管殼式熱交換器就是其中的一種新型、高效、節(jié)能的傳熱設(shè)備。

螺旋折流板熱交換器是20世紀(jì)90年代開發(fā)的一種新型換熱裝置，并在10 a內(nèi)得到快速發(fā)展和普及。螺旋折流板熱交換器殼程中的介質(zhì)既不是橫向流，也不是縱向流，而是一種螺旋狀斜向流，這種介質(zhì)流動方式使得其相對于傳統(tǒng)的弓形折流板熱交換器具有殼程阻力小、殼程傳熱系數(shù)高以及能有效抑制殼程污垢累積沉淀、防止流體誘導(dǎo)振動、可實現(xiàn)周期高效率運行等優(yōu)點，在石油化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[5]。理想的螺旋面在實際加工中難度比較大，目前應(yīng)用最廣的是非連續(xù)螺旋折流板熱交換器[6]，大都采用若干塊橢圓形或扇形平板搭接成類似的螺旋曲面[7]。出于加工方面的考慮，一般1個螺距取2～4塊折流板[8]。隨著計算機及計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，利用CFD技術(shù)進行熱交換器研究具有費用低、速度快、能模擬較復(fù)雜和較理想過程等優(yōu)點[9]，因此數(shù)值模擬的方法已經(jīng)成為新型、高效、低阻熱交換器輔助設(shè)計的重要手段之一[10-14]。

目前對于螺旋折流板熱交換器的數(shù)值模擬多數(shù)采用定壁溫假設(shè)的方法單純研究殼程流體流動與傳熱，忽略了管程流體流動對熱交換器性能的影響。但螺旋折流板熱交換器屬于間壁式傳熱設(shè)備，熱傳遞不僅包括換熱管與管內(nèi)外的對流傳熱，還包括換熱管的導(dǎo)熱，熱邊界條件無法預(yù)先給定[15]。因此文中采用耦合傳熱計算方法，同時考慮了殼程和管程的流體流動與傳熱，更有助于研究熱交換器局部溫度變化的實際情況，可詳盡預(yù)測螺旋折流板結(jié)構(gòu)對流場和傳熱過程的影響，有利于分析熱交換器的綜合性能。

1 螺旋折流板熱交換器數(shù)值計算模型

1.1 基本控制方程

為便于分析，簡化設(shè)定流體為牛頓流體、流體物性為常數(shù)，流體橫向?qū)岷雎圆挥嫛峤粨Q器中流體的流動和傳熱必須滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律[16-17]。

連續(xù)性方程：

(1)

式中，u、v和w分別為x、y和z方向的速度分量，m/s。

x方向動量方程：

(2)

y方向動量方程：

(3)

z方向動量方程：

(4)

式(2)～式(4)中，gx、gy和gz分別為x、y及z方向的重力加速度，m/s2(重力影響忽略不計)；t為時間，s；μ為流體的動力黏度，Pa·s；ρ為流體密度，kg/m3；p為壓力，Pa。

能量方程：

(5)

式中，cp為比定壓熱容，J/(kg·K)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Q為換熱量，kJ/h；T為溫度，K。因模擬的是穩(wěn)態(tài)過程，所以式中參量對時間的偏導(dǎo)數(shù)取為0。

1.2 物理模型建立

采用SolidWorks對螺旋折流板熱交換器建模，由于熱交換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時對其進行簡化，忽略螺旋折流板與筒體和換熱管的間隙，模型主要由筒體、換熱管束、管板及螺旋折流板組成。1個螺旋周期由4塊標(biāo)準(zhǔn)橢圓的短軸對稱剪裁得到的扇形板組成，且單塊折流板在殼程截面上投影為1/4圓面。將模型導(dǎo)入Workbench里的Design Modeler建模模塊建立流場域。此時假設(shè)筒體是絕熱的，忽略筒體固體部分，保留管板、換熱管束及螺旋折流板這些固體部分。

建立的螺旋折流板熱交換器流場域及固體區(qū)域模型見圖1。

圖1 螺旋折流板熱交換器流場域及固體區(qū)域模型

螺旋折流板熱交換器筒體內(nèi)徑250 mm，熱交換器長1 600 mm，換熱管長1 340 mm，換熱管尺寸(管徑×壁厚)?25 mm×2.5 mm。換熱管材質(zhì)為不銹鋼，共32根，正方形布管，換熱管間距32 mm。折流板厚度4 mm，管板厚度6 mm。熱交換器殼程走熱水，管程走冷水，流動形式為逆流。

1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬方法

螺旋折流板熱交換器空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，首先在DesignModeler里進行計算模型邊界命名，然后使用Workbench里meshing模塊進行計算網(wǎng)格的劃分。采用自動網(wǎng)格劃分Patch conforming運算方法及四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。為了滿足近壁函數(shù)對低雷諾數(shù)求解的準(zhǔn)確性要求，對流場域的近壁區(qū)域采用了膨脹方法加密流場域與固體區(qū)域接觸區(qū)域的網(wǎng)格。通過網(wǎng)格獨立性分析，最終網(wǎng)格單元數(shù)控制在950～1 200萬，能夠滿足計算離散誤差要求。選取10°螺旋角熱交換器模型，整個模型中共有節(jié)點數(shù)3 359 686個，單元數(shù)10 873 015個。螺旋折流板熱交換器有限元模型網(wǎng)格劃分見圖2，固體區(qū)域局部網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 螺旋折流板熱交換器有限元模型網(wǎng)格劃分

圖3 螺旋折流板熱交換器固體區(qū)域局部網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件及流體計算設(shè)置

熱交換器內(nèi)部流體為水，進口邊界條件采用速度進口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。殼程進口熱水溫度為80 ℃，管程進口冷水溫度為15 ℃，忽略重力影響，開啟能量方程，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，湍流邊界條件設(shè)定方式選擇湍流強度和水力直徑。固體與流體接觸面設(shè)為interface面，然后進行耦合生成wall-shadow，這樣就會在流固交接面生成耦合面，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，控制方程的離散采用一階迎風(fēng)格式，松弛因子保持默認，質(zhì)量及能量的計算殘差控制在10-6數(shù)量級，計算直至收斂。

2 螺旋折流板熱交換器計算結(jié)果及分析

2.1 整體流場

采用CFD-Post后處理軟件進行熱交換器的數(shù)值模擬后處理，CFD-Post軟件可以直接通過讀取Fluent計算結(jié)果數(shù)據(jù)文件實現(xiàn)流體動力學(xué)結(jié)果的可視化和分析。

有限元計算得到的螺旋折流板熱交換器整體速度流線圖見圖4，殼程和管程速度流線圖分別見圖5和圖6。

圖4 螺旋折流板熱交換器整體速度流線圖

圖5 螺旋折流板熱交換器殼程速度流線圖

圖6 螺旋折流板熱交換器管程速度流線圖

從圖4～圖6可以看出，殼程流場整體呈現(xiàn)一個近似螺旋狀的流動，而且在折流板附近幾乎沒有流動死區(qū)，但是在殼程中心區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)部分流線與換熱管幾乎成平行狀分布，變換平緩，說明四分螺旋折流板熱交換器殼程區(qū)域存在漏流現(xiàn)象，而且在流動過程中能量損失會增加。

2.2 不同螺旋角對熱交換器性能影響

采用不同的螺旋角度10°、15°、20°，建立了3個螺旋折流板熱交換器模型，借助CFD軟件進行數(shù)值模擬分析計算。在保持管程流速不變情況下，分析殼程進口流速分別為0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s時熱交換器的溫度、壓降及傳熱系數(shù)的變化。

2.2.1溫度場

螺旋角為10°、殼程進口流速為0.4 m/s的螺旋折流板熱交換器整體溫度場分布云圖見圖7，管程溫度場分布云圖見圖8。

圖7 螺旋角10°、殼程進口流速0.4 m/s時螺旋折流板熱交換器整體溫度場分布云圖

圖8 螺旋角10°、殼程進口流速0.4 m/s時螺旋折流板熱交換器管程溫度場分布云圖

從圖7～圖8所示的分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，殼程溫度場從進口開始呈螺旋狀逐漸減弱，主要是因為受折流板的影響，而且折流板附近并不存在溫度死區(qū)的現(xiàn)象。

2.2.2壓降

熱交換器的壓降可以反映熱交換器的工作效率，螺旋角為10°、殼程進口流速為0.4 m/s時螺旋折流板熱交換器的整體壓力場分布云圖見圖9，不同螺旋角以及流速下熱交換器的殼程壓降變化情況見圖10。

從圖10中所示的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，熱交換器的殼程壓降隨著螺旋角度的增大而減小，在殼程進口流速為0.4 m/s時，從10°到15°、15°到20°的殼程壓降分別減小了約50%和36.6%。而熱交換器殼程壓降隨著殼程進口流速的增大而增大，在螺旋角為10°時熱交換器殼程壓降隨著殼程進口流速的增大依次增大了約58%、40%、30%、25%。這主要是由于隨著螺旋角度的增大，在相同長度殼體內(nèi)折流板的數(shù)目減少，殼程內(nèi)流體的流通面積增大，整體湍動效果減弱，所以在相同的殼程進口流速下熱交換器殼程壓降減小。而在折流板數(shù)目及流通面積相同情況下，殼程進口流速增大會導(dǎo)致整體湍動效果增強，增大殼程流體流動阻力，因此熱交換器殼程內(nèi)壓降增大。

圖9 螺旋角10°、殼程進口流速為0.4 m/s時螺旋折流板熱交換器整體壓力場分布云圖

圖10 螺旋折流板熱交換器殼程壓降隨螺旋角度及殼程進口流速變化曲線

2.2.3傳熱性能

根據(jù)傳熱方程式(式(6))[18-19]、迪特斯-波爾特公式(式(7))以及忽略污垢熱阻以換熱管外側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)計算公式(式(8))，在已知傳熱面積，并通過模擬得到熱交換器管程和殼程進、出口溫度的情況下，可以計算得到熱交換器的殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

Φm=KAΔTm

(6)

(7)

(8)

式(6)～式(8)中，K為總傳熱系數(shù)，hi為管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，ho為殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Φm為熱流量，W；ΔTm為對數(shù)平均溫差，K；λi為管程流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特數(shù)；b為指數(shù)，流體被加熱時b取0.4，流體被冷卻時b取0.3；di、do分別為換熱管的內(nèi)徑和外徑，mm。

計算得到的螺旋折流板熱交換器管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及總傳熱系數(shù)在不同螺旋角度下隨殼程進口流速的變化關(guān)系曲線分別見圖11～圖13。

從圖11～圖13中所示的曲線可以發(fā)現(xiàn)，螺旋折流板熱交換器的管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、殼程表面熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)都隨著螺旋角度的增大而減小，管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減少了0.1%～1%，殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減少了0.8%～3.5%，總傳熱系數(shù)減少了0.3%～1.9%；而管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)都隨著殼程進口流速的增大而增大，管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加幅度為1.9%～5.4%，殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加幅度為13%～38%，總傳熱系數(shù)增加幅度為6%～21%。這主要是因為螺旋角度增大，熱交換器內(nèi)的折流板數(shù)目減少，流體的擾動效果減弱，阻力減小，所以傳熱系數(shù)變小。而在熱交換器本身結(jié)構(gòu)不變的情況下，殼程進口流速的增大會導(dǎo)致熱交換器殼程內(nèi)流體的湍動能力增強，起到了強化換熱的效果。

圖11 螺旋折流板熱交換器管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在不同螺旋角度下隨殼程進口流速變化曲線

圖12 螺旋折流板熱交換器殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在不同螺旋角度下隨殼程進口流速變化曲線

圖13 螺旋折流板熱交換器總傳熱系數(shù)在不同螺旋角度下隨殼程進口流速變化曲線

3 結(jié)語

通過對四分扇形螺旋折流板熱交換器的熱固耦合傳熱模擬分析，得到了熱交換器整體的流場、溫度場及壓力場分布情況，可以發(fā)現(xiàn)螺旋折流板熱交換器基本上不存在傳熱死區(qū)，非常有利于換熱。通過計算分析得到螺旋折流板熱交換器的管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)都隨著螺旋角度的增大而減小、隨著殼程進口流速的增大而增大，這些將為螺旋折流板熱交換器的優(yōu)化設(shè)計提供很好的參考依據(jù)。