管殼式換熱器折流板對換熱性能影響的數值模擬

江 竹，秦 健，張 輝

(西華大學 能源與動力工程學院，四川 成都 610039)

換熱器作為一種被廣泛應用在化工、石油、動力、食品等產業的重要設備，其作用是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體[1]。目前應用較多的換熱器有管殼式換熱器、間壁式換熱器、套管式換熱器等。在種類繁多的換熱器中，管殼式換熱器以其制造簡單、研發流程較為完善、可應用在多種工況環境等優點被廣泛應用在各行業領域[2]。常規的管殼式換熱器以單弓形折流板作為其支撐結構進行強化換熱，然而該種管殼式換熱器在熱交換過程中存在殼程壓力損失較大、換熱效率不高、易結垢、易產生流動死區等若干缺點[3-5]。由于換熱器的換熱性能以及運行可靠性影響產品質量產生以及企業效益，所以需要對管殼式換熱器的結構進行優化從而提高管殼式換熱器的換熱性能和運行可靠性，其中最有效果的一種方法就是在弓形折流板上開孔。

喻九陽設計出多種開孔方案，并結合大管孔折流板與弓形折流板的優點，進行流阻和換熱器換熱實驗。通過實驗結果可知，將折流板開孔擴大，有助于增強換熱器換熱效率和減小殼程流動阻力,殼程傳熱與流動性能指標 獲得顯著提升[6]。謝國雄在單弓形折流板上設計了5種開口方案并進行試驗探究，發現在弓形折流板適當部位開適當數量的孔有利于提高換熱器換熱效率和降低殼程流動阻力[7]。Tabore在研究管殼式換熱器的過程中，發現管殼式換熱器殼體直徑與折流板間距之間的關系，提出折流板間距取0.2～1倍殼體直徑具有更好的換熱效果[8]。隨著數值傳熱學(NTH)和計算流體力學(CFD)研究的不斷拓展，傳熱方面的數值模擬與計算也迅速發展起來，并在實際工程中得到廣泛應用，其中，對于管殼式換熱器殼程數值模擬的探索尤為重要。S.V.Patanker和D.B.Spalding在對管殼式換熱器殼程進行數值模擬的過程中，提出分布阻力的理念，運用流體力學管殼式換熱器進行數值模擬[9]。W.T.Sha在前人基礎上，引入表面滲透度的概念，并成功運用模型完成對殼程的二維數值模擬[10]。C.Chang等人以電廠冷凝器為目標，借助質量守恒方程、動量守恒方程以及空氣質量分數守恒方程進行了準三維研究，模擬結果與試驗數據誤差較小，數據比較吻合[11]。

本文在粘度較低的流體下對管殼式換熱器進行數值模擬，借助CFD軟件FLUENT[12]分別對0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s流動速度下的管殼式換熱器殼程流場進行數值模擬，對比研究了不同速度下開孔折流板與未開口折流板速度場、溫度場、壓力場，對比分析了FLUENT對模型后處理的速度云圖、壓力云圖、溫度云圖，研究開孔折流板對管殼式換熱器換熱性能的影響，對管殼式換熱器的設計制造具有一定的參考價值。

1 模型的建立

1.1 數學模型

管殼式換熱器殼程流體流動以及換熱過程遵循質量守恒定律、能量守恒定律以及動量守恒定律。由于管殼式換熱器殼程流動通常屬于湍流狀態，根據傳熱基本方程和流體流動規律，計算方程選擇標準 模型。標準κ-ε 模型[13]如下：

(1)

(2)

式中， ε為湍流耗散率；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產生項； YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；t為時間，單位為s；μ為湍流黏度，單位為kg/(m·s)； ρ為流體密度，單位為kg/m3；經驗常數G1ε=1.44,C3ε=1，Cμ=0.09；k為湍流脈動動能；μi為速度，單位為m/s；μt為湍流黏度，單位為Pa·s 。

1.2 幾何模型

模型包括傳統折流板換熱器和開孔折流板兩種類型。由于殼程流場中存在較多的管束和折流板，我們在保證不影響模擬結果的前提下，首先對內部流場做出以下假設和簡化：

(1)殼程流體物理性質穩定、密度不變、不可壓縮。

(2)為了保證流體穩態流動，延長換熱器殼程進口管的長度。

(3)忽略折流板與內壁間隙，忽略間隙漏流。

(4)換熱器與外界絕熱。

經過簡化后的模型如圖1所示，換熱器主要結構參數及流體物理性質如表1所示。

圖1 物理模型

表1 管殼式換熱器主要機構參數及流體物理性質

2 計算方法與邊界條件

我們利用FLUENT軟件進行管殼式換熱器殼程流動的數值模擬，利用Gambit2.4.6軟件進行網格劃分。網格類型為T-grid，網格間距設為4，劃分后的網格總共有4274952個單元。

2.1 計算模型的選擇

由于殼程內的湍流效應影響著殼程內部流動以及傳熱過程，因此我們在求解的過程中采用單精度求解器，選擇 方程模型及Standard Wall Functions(標準壁面函數)，Pressure Based隱式求解，以保證收斂的穩定性[14-15]。

在完整的數值模擬過程中，我們分別進行了入口速度為0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s三個流速下開孔折流板與未開孔折流板的壓力場、溫度場、速度場的比較研究。借助Fluent軟件進行計算模型的后處理，得到相應流速下的溫度云圖、速度云圖以及壓力云圖。

2.2 邊界條件

計算流體進口采用進口速度入口條件(Velocity-inlet)，溫度設為289K，出口自由出口邊界條件(outflow)，換熱管壁wall，溫度378K，殼體采用不可滲透、無滑移邊界；流體域是液態水，固體域為結構鋼，采用默認物性參數，不考慮溫度對粘度影響，湍流模型為 模型。

3 計算結果與分析

低流速(0.1～0.3m/s)的流體流場不理想，不利于殼程換熱，而高流速(>1.5m/s)下，流體流速過快使換熱過程不充分，同樣影響換熱性能[16]。本次數值模擬中選取0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s三個入口流速，管殼式折流板換熱器中速度變化時，壓力場與溫度場變化趨勢相對平穩，管殼式開孔折流板換熱器同樣也遵循此規律，所以我們對溫度場、壓力場的分析均取入口流速為0.8m/s進行對比分析。

3.1 壓力場分析

當入口流速為0.8m/s時，管殼式折流板換熱器壓力云圖如圖2所示；管殼式開孔折流板換熱器壓力云圖如圖3所示。

圖3 管殼式開孔折流板換熱器殼程壓力場

通過對圖2和圖3的對比分析，我們可知，管殼式換熱器折流板未開孔時壓力分布呈現塊狀不均勻分布，壓力滯留在折流板背部，這種情況會對換熱器的換熱性能產生不利影響[17]；而開孔折流板壓力分布較均勻，壓力有所降低，這樣可以降低外界動力設備要求，一定程度上起到節能作用。

3.2 溫度場分析

圖4為入口速度0.8m/s下管殼式折流板換熱器殼程溫度云圖；圖5為入口速度0.8m/s下管殼式開孔折流板換熱器殼程溫度云圖?？梢钥闯?，未開孔換熱器折流板背部的溫度滯留較為嚴重，不利于換熱[18]。而開孔折流板的整個溫度場產生了溫度梯度，折流板背部溫度滯留得到一定程度改善。通過對兩張圖的對比分析可以得出，開孔折流板有利于換熱器的熱量交換。

圖4 管殼式折流板換熱器殼程溫度場

圖5 管殼式開孔折流板換熱器殼程溫度場

3.3 速度場分析

通過分析圖6:a,b,c可以發現，折流板背部存在部分滯留區，且滯留區范圍與速度大小成正比關系：速度越大，滯留區的范圍也越廣。這也對溫度和壓力的分布造成影響；開孔折流板的速度云圖如圖6:d,e,f所示，通過對圖的分析我們可以看出，在開孔的位置出現部分射流。產生的射流，使得折流板背部的滯留區域被打破，流動死區減少，進而背部區域的流動得到加快，滯留區域被破壞使整個殼程溫度場、壓力場的分布趨于平均，也意味著換熱性能的提高[19]。

圖6 管殼式折流板換熱器殼程速度云圖

4 結論

本文借助Fluent軟件對不同入口流速下管殼式開孔折流板與未開孔折流板殼程流場的數值模擬，通過對兩者速度場、壓力場、溫度場的對比分析，可以得出以下結論：

(1)在管殼式折流板換熱器殼程流場中，折流板背部易形成滯留區，進而造成溫度、速度、壓力分布不均勻，對于管殼式折流板換熱器的換熱性能具有一定的消極影響。

(2)隨著入口速度的不斷提高，折流板背部滯留區域也不斷增加，開孔折流板相較于未開孔折流板能有效減少滯留區面積，使整個流場的溫度場、壓力場分布更加均勻，對提高管殼式換熱器換熱性能具有積極作用。

(3)開孔折流板產生的射流能夠加速滯留區的擾動作用，減少了流動死區的范圍，增加的換熱面積，提高了換熱效率。

總體來說，在相同流速下，開孔折流板換熱器比未開孔的傳統弓形換熱器的換熱性能更加優秀。由于對折流板開圓孔加工工藝簡單、成本較低，因此，對管殼式折流板換熱器的折流板進行開孔是一種經濟有效的強化管殼式換熱器換熱的方法，具有一定的推廣使用價值。