高壓熱交換器防沖擋板結構優化①

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(1.青島暢隆電力設備有限公司，山東 青島 266700；2.青島科技大學，山東 青島 266061；3.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；4.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518)

隨著科學技術的進步，設計壓力處于10～100 MPa的高壓熱交換器得到了廣泛的應用[1-3]。高壓熱交換器殼程工作介質一般為水蒸氣，其具有高溫、高壓、高流速的特點。在不添加任何輔助裝置條件下，水蒸氣不僅會對換熱管和管板造成嚴重的沖刷腐蝕，還會導致高壓熱交換器產生劇烈的振動[4-7]。而防沖擋板降低了流體對換熱管的沖擊力，避免水蒸氣對換熱管的直接沖蝕[8-9]。在實際工程應用中，水蒸氣的強大沖擊力會使防沖擋板出現脫落，砸漏換熱管，使高壓熱交換器無法正常運行，嚴重時還會導致高壓熱交換器報廢[10-13]。

鐘曉峰等[14]設計了一種鈦制熱交換器防沖擋板結構，可有效阻止液體對換熱管束的沖擊，但是該結構的工作時間不長，需要頻繁更換。吳洋寬等[15]設計了一種弧型防沖擋板，通過將圓形平板向上彎曲，不改變介質流通面積，提高防沖擋板抗沖擊力的剛度，使防沖擋板所受沖擊力在隨著壓力波動不斷發生變化時，防沖擋板的抖動幅度降低。但是該技術方案缺乏精確的數值計算論證。

目前的防沖擋板經過改進雖然解決了部分問題，但是相應的技術方案仍然存在著工作時間短和缺乏精確的數值論證計算等問題。為解決高壓熱交換器內的防沖擋板防沖能力弱、易脫落等問題，筆者研究了一種高壓熱交換器雙層防沖擋板結構，利用FLUENT軟件詳細計算防沖擋板附近的流場，并與圓孔型防沖擋板、圓弧型防沖擋板數值求解結果進行對比，分析改進后高壓熱交換器雙層防沖擋板的效果。

1 高壓熱交換器防沖擋板結構模型建立

1.1 物理模型

建立的高壓熱交換器雙層防沖擋板結構物理模型見圖1。文中主要以雙層防沖擋板結構為例進行說明，對圓孔型防沖擋板結構和圓弧型防沖擋板結構采用相同的數值計算方法。

1.殼體 2.接管 3.十字固定架 4.筋板 5.上層防沖擋板 6.下層防沖擋板 7.換熱管圖1 高壓熱交換器雙層防沖擋板結構

利用三維設計軟件Solid Works建立了3種類型防沖擋板結構的三維模型，見圖2。

圖2 3種類型防沖擋板結構三維模型

圓孔型防沖擋板主要由雙層防沖擋板的十字固定架與上層防沖擋板組成，圓弧型防沖擋板主要由十字固定架、筋板以及向上彎曲的圓平板組成。圓孔型防沖擋板結構和圓弧型防沖擋板結構的其余參數與雙層防沖擋板結構的一致。

1.2 網格劃分與獨立性驗證

防沖擋板物理模型結構較為復雜，利用網格劃分軟件ICEM CFD16.0，采用非結構化網格劃分方法對物理模型進行網格劃分[16]。為了獲得較高的計算精度，對防沖擋板部分網格進行加密處理。得到的高壓熱交換器雙層防沖擋板結構網格分布圖見圖3。

圖3 高壓熱交換器雙層防沖擋板結構網格分布圖

由于模型較多，不便對所有的模型進行網格獨立性驗證，因此選擇了高壓熱交換器雙層防沖擋板結構模型進行本文的網格獨立性檢驗。采取網格數量分別為634 504、834 056、1 048 923、1 215 893的模型進行計算，結果表明，當網格數量從1 048 923增加到1 215 893時，計算結果幾乎不變。基于網格獨立性分析和計算時間的評判條件，選取1 215 893網格數量作為模型的網格劃分標準。

1.3 數值求解設置

利用 ANSYS FLUENT 16.0對防沖擋板附近水蒸氣的流動過程進行數值計算。數值求解基于壓力基求解器，湍流模型采用RNGk-ε模型，壓力和速度耦合方式采用SIMPLE格式，控制方程的離散采用二階迎風格式。為保證求解精度，收斂標準殘差設置為10-5。防沖擋板模型的入口邊界條件為速度入口，并設置入口速度、靜壓、溫度、湍流強度和水力半徑，出口邊界條件為outflow出口，模型壁面的邊界為無滑移、恒溫壁面。

描述k-ε模型的湍動能k和湍流耗散ε的輸運公式[17-18]分別如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中，t為時間，s；ρ為流體密度，kg/m3；ui為流體速度，m/s；μ為動力黏度，μt為湍流黏度，Pa·s；k為湍動能；ε為耗散率；Gk為由層流速度梯度產生的湍流能項；Gb為由浮力產生的湍動能項；YM為湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻項；C1ε、C2ε、C3ε為常量；σk、σε為k方程和ε方程的湍流普朗特數；Sk、Sε為用戶定義湍動能項和湍流耗散源項；xi、xj分別為i、j方向的坐標。

2 高壓熱交換器防沖擋板結構速度場計算結果分析

2.1 流速分布云圖

分別對高壓熱交換器雙層防沖擋板結構、圓孔型防沖擋板結構和圓弧型防沖擋板結構的速度場進行數值計算，分析水蒸氣在這3種類型防沖擋板的流速分布情況。在其他條件一致的情況下，介質流速能夠反映出殼程介質對防沖擋板以及換熱管的沖擊情況。一般來說，介質流速越大，沖擊作用越大，反之，沖擊作用小，防沖效果越好。

計算得到的高壓熱交換器雙層防沖擋板結構、圓孔型防沖擋板結構和圓弧型防沖擋板結構對應的速度場分布云圖分別見圖4～圖6。

圖4 雙層防沖擋板結構速度場分布云圖

圖5 圓孔型防沖擋板結構速度場分布云圖

圖6 圓弧型防沖擋板結構速度場分布云圖

對比圖4～圖6可以發現，采用弧形板結構的雙層防沖擋板結構和圓弧型防沖擋板結構改變了流體流動方向，避免了出口處流體直接沿著軸向沖擊換熱管，有效保護了換熱管。圓孔型防沖擋板結構采用的圓孔扇形板雖然降低了換熱管附近的流體流速，減輕了流體對換熱管的沖擊，但在高速、高壓情況下，圓孔扇形板所受的沖擊力將更大，對換熱管的沖擊力也將更大，其防沖能力將不如雙層防沖擋板和圓弧型防沖擋板。

對比圖4和圖6可知，通過改變流體流向，均可獲得很好的防沖效果，達到保護換熱管的目的。但是圓弧型防沖擋板上方中心部位高速流體的沖擊壓力較大，這將對防沖擋板中間部位產生極大沖擊并引發振動，加速防沖擋板脫落。而雙層防沖擋板結構采用的上層防沖擋板則減緩了高速流體對防沖擋板中間部位的沖擊，可以改善自身受力情況，增強防脫落效果。

2.2 防沖擋板附近流速

從數值計算結果中獲取了沿接管中心軸向的流體速度數據，并利用origin處理數據得到速度曲線，以分析3種類型防沖擋板中心部位流速分布情況，比較防沖擋板防脫落效果。

3種類型防沖擋板結構對應的速度曲線分別見圖7～圖9。

圖7 雙層防沖擋板結構速度曲線

圖8 圓孔型防沖擋板結構速度曲線

圖9 圓弧型防沖擋板結構速度曲線

對比分析圖7～圖9的速度曲線，沿著接管中心軸向方向上，當水蒸氣以7 m/s的速度經過3種不同類型防沖擋板結構時，速度均得到了降低，但是在防沖擋板中心附近速度降低的程度有所不同。取距離防沖擋板上表面10 mm范圍的速度平均值作為防沖擋板附近水蒸氣流速，計算得到圓弧型防沖擋板、圓孔型防沖擋板、雙層防沖擋板的速度均值分別為2.651 6 m/s、2.283 0 m/s、1.393 3 m/s。由此可以得出，在防脫落效果上，雙層防沖擋板優于圓孔型防沖擋板，圓孔型防沖擋板優于圓弧型防沖擋板。

在保護換熱管方面，雙層防沖擋板和圓弧型防沖擋板可以通過自身的弧形板改變流體流動方向，避免流體對換熱管的直接沖擊，相比圓孔型防沖擋板能夠更好地保護換熱管。而在防脫落效果上，通過比較防沖擋板附近流速，認為雙層防沖擋板防脫落效果要優于圓弧型防沖擋板。

3 結語

本文提出了一種高壓熱交換器雙層防沖擋板新結構，并且模擬了3種不同類型防沖擋板附近的流場，通過分析流速云圖和模擬的速度數據得到以下結論。

(1)3種不同結構的防沖擋板均能起到對換熱管的防沖作用，但是防沖機理不同。雙層防沖擋板和圓弧型防沖擋板是通過改變介質流動方向和降低介質流動速度來達到防沖效果，而圓孔型防沖擋板主要是通過降低介質的流動速度來減小沖擊。雙層防沖擋板和圓弧型防沖擋板的防沖能力要優于圓孔型防沖擋板。

(2)在其他條件一致的情況下，雙層防沖擋板的防脫落能力最強，圓孔型防沖擋板次之，圓弧型防沖擋板最弱。高壓熱交換器雙層防沖擋板不僅防沖能力強，能夠有效保護換熱管，而且有效工作時間更長，無需頻繁更換。