菱形孔支撐板換熱器的流動和傳熱性能研究

朱行，董聰，黃永麗，杜海波，胡茂潮

菱形孔支撐板換熱器的流動和傳熱性能研究

朱行，董聰*，黃永麗，杜海波，胡茂潮

（浙江科技學院 機械與能源工程學院，浙江 杭州 310023）

弓形折流板換熱器作為最常見的傳統管殼式換熱器，其存在著容易結垢、流阻過大等缺陷，文章針對菱形孔支撐板換熱器，通過數值模擬方法進行流動和傳熱性能研究。結果表明，兩種菱形孔支撐板方案的殼側努塞爾數o相較于弓形折流板方案分別提高了52.20%和51.95%，為異型孔縱向流換熱器的優化與選型提供設計參考。

管殼式換熱器；菱形孔支撐板；CFD；強化傳熱

引言

伴隨著科學以及生產技術的發展，人們對于能源的使用需求日益增大，現階段如何高效利用能源資源已成為各個國家重點研究的問題[1]。換熱器是一種廣泛應用于航空、冶金、能源、石油化工等行業的重要的能量交換設備，弓形折流板換熱器作為最常見的傳統管殼式換熱器，其存在著容易結垢、流阻過大等缺陷[2-3]，由此可見強化換熱器的傳熱性能對節能降耗起著至關重要的作用[4]。

王珂等[5]建立周期性模型，對三種不同支撐結構的管殼式換熱器的流動特性進行性能研究，研究結果表明，流體在殼程內產生橫向流、縱向流、混合流三種不同流態，流體壓降和傳熱系數受到殼程橫向流速的影響很大。王翠華等[6]采用數值模擬的方法探究網狀孔板換熱器的流動和換熱特性，研究結果表明，當流體通過隔板時產生的射流作用，強化了傳熱，網狀孔板換熱器的Nu達到弓形折流板換熱器的1.5倍。李靜等[7]通過改變翅片結構，提出了新型縱向流一體式翅片管，使用計算流體力學軟件對7種周期性單元流道進行數值模擬，研究結果表明，105°夾角的翅片管的換熱系數相對于光管提高了近60%，綜合性能大大提高。

因此，為達到強化傳熱的目的可以分別從換熱器的支撐板幾何結構和管束的幾何形狀入手，通過合理的配置，使換熱器的綜合性能得到顯著提升。本文建立兩種新型菱形孔支撐板換熱器模型，采用數值模擬的方法，針對流動和傳熱性能進行研究，得到不同換熱器模型的溫度場，考查殼程換熱及壓降特性，來驗證該模型準確性，并為換熱器的優化與選型提供數據支持。

1 模型參數

近年來計算機性能飛速發展，使用整體模型、周期性全截面模型、單元流道模型對管殼式換熱器的數值仿真已經被廣泛開展。而在建立數值仿真模型時，往往要對所研究的模型進行相應簡化，以實現在節省計算機資源的同時達到較高的仿真精度。

依據核心部件的傳熱特性，同時考慮模擬分析精度要求，對兩種菱形孔支撐板換熱器和弓形折流板換熱器的整體計算模型做了相應的簡化，換熱器模型殼體外徑102mm，支撐板內徑100mm，管束外徑5mm，內徑4mm，管束數量為13，管束有效長度240mm，換熱器結構簡圖如圖1所示：

圖1 換熱器結構簡圖

2 仿真條件

在數值模擬中，網格質量的好壞對仿真結果的影響非常之大，為了達到較高精度，本文所有模型均采用非結構化網格的方法進行網格劃分，設置殼側、管側雙流域，換熱器外殼不參與換熱，選取全局網格尺寸為5mm，在局部網格中選取進出口面，支撐板面網格尺寸為3mm，選取管束耦合交界面網格尺寸為1mm，網格生成方式選取四面體網格生成，進行網格質量分析，確保生成的網格數量達到計算精度要求，最終確定的網格數量大約為450萬。

使用Fluent軟件作為求解器求解計算時，選取液態水作為工質運行在管程和殼程實現熱量交換，進口采用速度入口邊界，出口采用壓力出口邊界，支撐板、支撐桿和殼體外壁面選擇絕熱壁面條件，管束采取耦合壁面條件。相關模擬分析條件設置如下：打開能量方程，流域內產生復雜湍流，因此采用RNG k?ε湍流模型計算，使用收斂性較好的壓力和速度耦合的SIMPLE算法，壓力項選擇標準離散格式，其余項選擇二階迎風格式，設置能量方程殘差收斂條件為10-5，其余收斂條件選取默認值，測試點條件選取管側入口溫度333.15K、入口流速1-6m/s；殼側溫度296.15K、入口流速u恒定1m/s。

3 性能計算

按照模擬結果給出的各類換熱器的管殼側流體進出口速度、溫度和管殼側壓降，可計算換熱器的傳熱性能、壓降損失。使用管內側的換熱系數hi與殼側換熱系數ho分析換熱性能：

其中：di和do表示管束的內徑和外徑；λi和λ表示液態水和管束金屬材料的導熱系數；Rei和Pri表示管內液態水的雷諾數以及普朗特數。反映殼側傳熱性能的無因次準則數采用殼側努塞爾數Nuo其計算公式如下：

4 傳熱分析

圖2~圖4給出菱形孔支撐板換熱器以及弓形折流板換熱器在入口流速為6m/s時XZ平面縱向中心截面的殼程溫度云圖。由圖可知在流動充分發展階段，不同結構換熱器殼側流體的溫度變化規律，溫度變化與流動方向關系密切，近壁面處換熱較為劇烈。菱形30°和菱形90°方案在近支撐板孔處出現明顯溫度變化，主要原因是流體流經支撐孔時，流通面積劇烈減小，產生了二次流動及射流現象，近壁面流體的擾動程度大幅增加，使得管壁和液體之間的邊界層受到破壞，換熱性能得以加強。

圖2 弓形切片溫度云圖

圖3 菱形30°切片溫度云圖

圖4 菱形90°切片溫度云圖

圖5給出了菱形孔支撐板換熱器及弓形折流板換熱器的殼側努塞爾數Nuo隨入口流速變化的曲線圖。三種方案的殼側努塞爾數Nuo都隨著入口流速的增加而增加，其中兩種菱形孔支撐板換熱器殼側努塞爾數Nuo相近，但都大于弓形折流板換熱器，兩種菱形孔支撐板方案的殼側努塞爾數Nuo相較于弓形折流板分別提高了52.20%和51.95%，其內在機理是菱形孔支撐板換熱器相較于弓形折流板換熱器將橫向流動改變為縱向流動，同時因菱形孔的存在使得紊流效果增加，表現出明顯的換熱優勢。

圖5 殼側努塞爾數隨入口流速變化

圖6給出了三種方案換熱器的殼側壓降ΔPo隨入口流速的變化曲線。很明顯三種換熱器的殼側壓降ΔPo都隨著入口流速的增加而增加，相比弓形折流板換熱器，兩種菱形孔支撐板換熱器的殼側壓降要更大，且隨著入口流速的增加，這種差距越來越大。分析產生的主要原因是以整圓形板替代弓形折流板后，殼程流體的流通面積減小，使得殼程流體受到的流阻增大。

圖6 殼側壓降隨入口流速變化

5 結論

（1）在本文的研究入口流速范圍內，兩種菱形孔支撐板方案的殼側努塞爾數Nuo相較于弓形折流板分別提高了52.20%和51.95%。

（2）菱形孔支撐板換熱器在菱形孔處出現強烈的射流作用，對邊界層有一定的削減，從而起到強化傳熱的效果。

（3）使用整圓形的菱形孔支撐板代替弓形折流板可以將殼側的流體流動方向由橫向流改變為縱向流，菱形孔支撐板換熱器表現出一定的換熱優勢。

[1] 王英雙.縱流管殼式換熱器流動與傳熱性能的理論與實驗研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

[2] 周兵,陳亞平,王偉晗.管殼式換熱器殼側強化傳熱與管束支撐方式的研究進展[J].節能,2009,320(03):0017-0021.

[3] 吳志偉,錢才富,王薪.螺旋波紋管及其換熱器的發展綜述[J].化工機械,2018,45(01):1-5.

[4] Yang J,Liu W. Numerical investigation on a novel shell-and-tube heat exchanger with plate baffles and experimental validation[J]. Energy Conversion & Management,2015,101:689-696.

[5] 王珂,王永慶,董曉琳等.新型管殼式換熱器三維流場分析[J].工程熱物理學報,2011,32(12):2114-2116.

[6] 王翠華,戴玉龍,吳劍華等.網狀孔板縱向流換熱器殼程流體流動及換熱特性的數值模擬[J].過程工程學報, 2011,11(05):736-741.

[7] 李靜,劉建勇,羅東曉.新型縱向流一體式翅片管換熱性能數值模擬[J].化學工程,2010,38(07):18-21+30.

Study on Flow and Heat Transfer Performance of Rhombic Hole Support Plate Heat Exchanger

Zhu Xing, Dong Cong*, Huang Yongli, Du Haibo, Hu Maochao

( School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Zhejiang Hangzhou 310023 )

As the most common traditional shell and tube heat exchanger, the segment baffle heat exchanger is prone to fouling and excessive flow resistance, etc. In this paper, the flow and heat transfer performance of rhombic hole support plate heat exchanger are studied by numerical simulation method. The results show that the shell-side Nusserl number of the two rhombic hole support plate schemes increases by 52.20% and 51.95%, respectively, compared with the segment baffle schemes, providing a design reference for the optimization and selection of the heat exchanger with longitudinal flow in shaped holes.

Shell and tube heat exchanger; Rhombic hole support plate; CFD; Heat transfer enhancement

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.032

TK172

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1671-7988(2021)07-98-03

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朱行（1994-），男，浙江溫州人，碩士，就讀于浙江科技學院機械與能源工程學院，研究方向為新能源汽車控制技術。

董聰，男，浙江溫州人，副教授，碩士生導師，就職于浙江科技學院機械與能源工程學院，研究方向為換熱器強化傳熱和熱工設備自動控制。