折流擋板傾斜角度對管殼式換熱器傳熱影響的數值模擬

崔海波，耿向瑾

折流擋板傾斜角度對管殼式換熱器傳熱影響的數值模擬

崔海波，耿向瑾

（云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南 昆明 650217）

利用CFD軟件，通過對小型管殼式換熱器建立數值模型，研究改變折流擋板傾斜角度（0°、5°、10°、15°、30°和45°）對換熱器內部流場以及換熱效果的影響規律。結果表明：在不同入口水速下（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s），換熱器內水流溫升率和總熱傳率受折流擋板傾斜角度變化的影響規律不同；隨著折流擋板傾斜角度的逐漸增大，換熱器內部壓力分布逐漸均勻，換熱器進、出口壓降減小；折流擋板傾斜角度取5°時，可以獲得較小的壓降率、較大的溫升率和總熱傳率。

換熱器；管殼式；折流擋板；傾斜角度；溫升率；總熱傳率；壓降；換熱效果

換熱器是指將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給他種流體的設備，其在工業中應用極為普遍，例如鍋爐設備的過熱器、省煤器、空氣預熱器，電廠熱力系統中的凝汽器、除氧器、給水加熱器等[1-2]。傳統節段折流板殼和管式換熱器存在出現滯流區、傳熱系數低和壓降大等問題，但是這些問題可以通過優化換熱器結構設計被解決[3-6]。王慶鋒等[7]研究了折流板間距與換熱器對流傳熱系數的關系，結果表明，折流板間距越大，殼程對流傳熱系數越小，壓降也越小，當折流板間距為330 mm 時，換熱器換熱效率最高，此時換熱器在較小的壓降下可以獲得較大的對流傳熱系數。黨明巖等[8]利用ICEM和Fluent軟件對管殼式換熱器的殼程流場進行了三維數值模擬，研究了折流擋板對殼程流場的影響，結果表明：由于存在流動死區，折流板后方會出現溫度比周圍溫度高的區域；隨著折流板的數量增加，流體的湍流程度增加，流體的出口溫度提高，換熱器的傳熱效率提高。

在各類換熱器中，殼程式換熱器占主要地位，約占各類換熱器總量的70%。對于管殼式換熱器，按殼程流體的流動方向可分為橫向流、縱向流和螺旋流，而針對不同的殼程流動形態，換熱器的性能呈現較大差異。Chen等人[9]提出了一種新型的螺旋折流板換熱器，包括圓周重疊三螺旋折流板殼和管式換熱器，克服了螺旋式自然扇形折流板扇形區不均勻性問題，并利用數值模擬對該種換熱器內部流場進行了模擬。

有效性和成本是換熱器設計中的2個重要參數。各生產領域對換熱器不斷提出新的要求，使得換熱器的性能改進日顯重要，以往單一的通過試驗研究改進換熱器的方法很難滿足工業快速發展的需求。而運用數值模擬方法來進行實用性更強、計算效果更準確的換熱器殼程流場模擬已越來越得到認可和關注[10]。同時，數值模擬的方法更便于研究各類單一因素的影響，從而可以定量研究換熱效果隨各項指標的變化規律[11-12]。因此，為了在管殼式換熱器的合理成本下提高換熱性能，本文在管殼式換熱器的基礎上，利用數值模擬方法，研究改變折流擋板傾斜角度對換熱器內部流場以及換熱效果的影響。

1 數學模型建立

1.1 換熱器模型建立及網格劃分

本文研究的換熱器為普通管殼式換熱器，由管殼、換熱管、進出口和折流擋板組成，其結構參數見表1[13]。

表1 本文管殼式換熱器基本參數

Tab.1 Basic parameters of the shell-tube heat exchanger

由于換熱器殼程結構相對復雜，在保證相關物理量準確的前提下，建模時作如下簡化假設[14]：1）忽略折流板與換熱管、折流板與筒體之間的間隙；2）增加換熱器殼程進、出口直管段長度，保證流體穩態流動；3）假設流體流動和傳熱過程是均一、穩定的；4）對傳熱導致的水流物理性質如密度、黏性和比熱容等的變化忽略不計；5）流體為牛頓流體，不可壓縮、各向同性且連續；6）忽略拉桿、定距管、防沖板等結構對殼程流場計算的影響。

對簡化的管殼式換熱器建立數值模型，折流擋板傾斜角度為0°的幾何模型如圖1所示，傾斜角度分別為5°、10°、15°、30°和45°的折流擋板局部模型如圖2所示。

圖1 換熱器數學模型及尺寸

圖2 不同傾斜角度折流擋板模型局部示意

1.2 基本控制方程

基于不可壓縮的牛頓流體假設，在常物性和宏觀熱能守恒的假設下，管殼式換熱器內部流動傳熱過程涉及的控制方程均可表示成以下通用形式[15]：

1.3 網格獨立性驗證

本文為穩態數值模擬，需要取換熱器出口水溫的變化進行網格無關性驗證[14]。利用GAMBIT對 網格進行劃分，利用Fluent進行計算，分別記錄了不同網格數時換熱器出口水溫的變化。在折流擋板傾斜角度為0°、進口水流速度為0.1 m/s工況下換熱器出口水溫的變化規律如圖3所示。由圖3可見，當網格數超過120萬時，溫度變化曲線趨于平衡，所以可認為140萬的網格數已達到網格無關，因此取網格數為141.775萬的模型作為計算模型。

圖3 換熱器出口水溫隨計算網格數的變化規律

1.4 邊界條件設置

換熱器入口邊界條件設置為速度入口，介質為水，假設入口速度分布均勻，忽略重力影響，入 口速度根據試驗工況，分別取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s，速度方向垂直于邊界，溫度為25 ℃。出口邊界條件設置為自由出口。換熱器外殼為不可滲透、無滑移的絕熱壁面。取換熱管外壁溫度為恒溫105 ℃。應用SIMPLE算法進行壓力速度耦合，采用二階迎風格式。

2 結果與討論

2.1 溫升率

取進、出口水溫差值與進口水溫的比值——溫升率為因變量，不同入口水速下，其隨折流擋板傾斜角度的變化規律如圖4所示。

圖4 不同入口水速下折流擋板傾斜角度對溫升率的影響

由圖4可知，在入口水速為0.1、0.2 m/s時，溫升率隨折流擋板傾斜角度的增大而逐漸降低；在水速為0.3、0.4 m/s時，溫升率隨折流擋板傾斜角度的增大先水平波動，后逐漸降低；在水速為0.5 m/s時，溫升率隨折流擋板傾斜角度的增大先升高，后逐漸降低。不同入口水速下，換熱器出口水溫隨折流擋板傾斜角度變化的規律不同，這是因為換熱器內水流狀態和換熱效果同時受入口水速和設備結構的影響，在入口水速較低時，折流擋板傾斜角度增大，壓降減小，水流速度增加。

圖5為0.1 m/s入口水速下換熱器內部速度分布云圖。由圖5可見，隨折流擋板傾斜角度增大，換熱器內水流速度逐漸增大，因此水流與換熱管間的換熱時間縮短，溫升率降低（圖4）。在入口水速較高時，隨折流擋板傾斜角度逐漸增大，水流擾動加強，較小的湍流擾動可提高水溫；但隨折流擋板傾斜角度再繼續增大，擋板后部形成渦流（圖6），在水流速度為0.5 m/s、折流擋板傾斜角度為45°時，擋板后部區域形成了明顯的速度分層。

圖5 0.1 m/s入口水速下換熱器內部速度分布云圖

圖7則進行了局部放大，給出了入口水速為0.5 m/s時擋板后部的水流矢量圖。通過對比可得，換熱器內局部換熱加強，但對換熱器整體換熱效果不利，致使溫升率降低。

2.2 壓降率

為了對換熱器的壓降程度進行橫向比對，取換熱器進、出口壓力差值與進口壓力值的比值——壓降率為因變量，不同入口水速下，其隨折流擋板傾斜角度的變化規律如圖8所示，0.5 m/s入口水速下不同傾角對應的換熱器內部壓力分布云圖如圖9所示。由圖8可知，各入口水速下，壓降率均隨著折流擋板傾斜角度的增大而先減小再增大再減小。由圖9可知，隨折流擋板傾斜角度逐漸增大，換熱器內部高壓力區域減少，壓力分布逐漸均勻。這是由于隨折流擋板傾斜角度增大，換熱器內部結構改變，軸向流通面積增大，阻力減小，從而使得換熱器進出口壓降減小。

圖6 0.5 m/s水流速度下換熱器內部速度分布云圖

圖7 0.5 m/s入口水速下局部速度分布矢量圖

圖8 不同入口水速下折流擋板傾斜角度對壓降率的影響

圖9 0.5 m/s入口水速下換熱器內部壓力分布云圖

2.3 總熱傳率

不同入口水速下，換熱器內總熱傳率隨折流擋板傾斜角度變化規律如圖10所示。

圖10 不同入口水速下折流擋板傾斜角度對總熱傳率的影響

由圖10可知，總傳熱率變化規律與溫升率相同：在入口水速為0.1、0.2 m/s時，總熱傳率隨折流擋板傾斜角度的增大而逐漸降低；在入口水速為0.3、0.4 m/s時，總熱傳率隨折流擋板傾斜角度的增大先水平波動，后逐漸降低；在入口水速為0.5 m/s時，總熱傳率隨折流擋板傾斜角度的增大先升高，后逐漸降低。這表明，在不同入口水速下，換熱器內部傳熱過程受折流擋板傾斜角度變化的影響規律不同。其原因是總熱傳率高低主要受換熱器內部水流狀態的影響。折流擋板傾斜角度較小時，可以加強水流擾動，增強換熱效果；當折流擋板傾斜角度繼續增大，局部換熱加強，總熱傳率降低。

此外，由圖10還可看出，隨進口水速增加，換熱器總熱傳率增大。這是因為，在相同換熱器內部結構下，入口水速增大，水的質量流率升高，換熱器內擾動增強，換熱管表面換熱速度增加，總熱傳率升高。

3 結論

1）當體積流率小于2%時，逐漸增大換熱器內折流擋板傾斜角度，換熱器出口水溫降低，總熱傳率減小；當體積流率大于2%、小于4%時，逐漸增大換熱器內折流擋板傾斜角度，換熱器出口水溫和總熱傳率先水平波動，當傾斜角度大于20°以后，換熱器出口水溫和總熱傳率逐漸減小；當體積流率大于5%時，逐漸增大換熱器內折流擋板傾斜角度，換熱器出口水溫和總熱傳率先增大，當傾斜角度大于10°以后，換熱器出口水溫和總熱傳率逐漸減小。

2）隨折流擋板傾斜角度的逐漸增大，換熱器內部軸向流通面積增大，壓力分布逐漸均勻，進、出口壓降減小。

3）在各體積流率工況下，折流擋板傾斜角度取5°時，可以獲得較小的壓降率、較大的溫升率和總熱傳率。

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Influence of inclination angle of baffle on heat transfer of shell-and-tube heat exchanger: numerical simulation

CUI Haibo, GENG Xiangjin

(Yunnan Electric Power Test Research Institute (Group) Co., Ltd., Kunming 650217, China)

By using the CFD software, numerical model of a small scale shell-and-tube heat exchanger was established, and the influence of inclined angle (0°, 5°, 10°, 15°, 30° and 45°) of the baffle on internal flow field and heat transfer effect of the heat exchanger was studied. The results show that, the temperature rise rate and the total heat transfer rate are affected by the inclination angle of the baffle at different inlet flow velocities (0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 m/s). The pressure drop decreases with the increase of the inclination angle at different inlet flow velocities. A smaller pressure drop rate, a larger temperature rise rate, and a larger total heat transfer rate could be obtained when the inclination angle is 5°.

heat exchanger, shell-and-tube, baffle, inclination angle, temperature rise rate, total heat transfer rate, pressure drop, heat transfer effect

TK172

A

10.19666/j.rlfd.201809168

崔海波, 耿向瑾. 折流擋板傾斜角度對管殼式換熱器傳熱影響的數值模擬[J]. 熱力發電, 2019, 48(5): 31-35. CUI Haibo, GENG Xiangjin. Influence of inclination angle of baffle on heat transfer of shell-and-tube heat exchanger: numerical simulation[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 31-35.

2018-09-04

崔海波(1979—)，男，工程師，主要研究方向為節能減排新技術研究與應用，707708915@qq.com。

（責任編輯 李園）