結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)折邊式蜂窩夾套傳熱性能的影響

張正峰 董金善 史為帥 劉林波

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

在石油化工行業(yè)中，反應(yīng)器屬于一種比較常用的化工容器，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行冷卻或加熱是常見的操作之一。蜂窩夾套作為一種新型、高效的夾套結(jié)構(gòu)，在石油化工、醫(yī)藥等行業(yè)廣泛應(yīng)用［1］。

蜂窩夾套雖有優(yōu)秀的傳熱性能和力學(xué)構(gòu)造，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)致過(guò)去很少有人對(duì)它進(jìn)行深入研究。但是近年來(lái)，有限元軟件技術(shù)的快速發(fā)展，為蜂窩夾套研究和模擬計(jì)算打下了良好的基礎(chǔ)［2，3］，特別是CFD技術(shù)在夾套內(nèi)部流動(dòng)特性的模擬分析研究已取得了顯著的成果［4，5］。丁昌勇和尹俠研究對(duì)比了蜂窩式和整體式夾套薄膜蒸發(fā)器的筒體壓力水平，得出可以通過(guò)適當(dāng)減小筒體和夾套的厚度來(lái)降低生產(chǎn)成本［6］。張立垛和馬玉龍將蜂窩夾套應(yīng)用于薄膜蒸發(fā)器上，使得薄膜蒸發(fā)器的壁厚得以減小，既保證其強(qiáng)度和剛度，又提高其傳熱效率，同時(shí)分析了折邊式和拉撐式蜂窩夾套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出了蜂窩拐角設(shè)計(jì)的取值在40～45°之間［7］。杜海英等分析了薄膜蒸發(fā)器在生產(chǎn)制造和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的隱患失效形式，并提出合理的改善措施，利用分析軟件ANSYS對(duì)蜂窩夾套強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了分析［8，9］。范琦和尹俠從蜂窩形式、間距等特性參數(shù)考慮，采用模擬的方法對(duì)其換熱性能和壓降進(jìn)行分析，得出蜂窩間距對(duì)傳熱性能影響很大的結(jié)論；蜂窩間距越小，換熱性能越好，而排列方式要選擇插排的形式［10～12］。Belytschko T B和Kennedy J M對(duì)夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出流體的介質(zhì)特性和流速大小對(duì)傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，可為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考［13］。Fan Q和Yin X研究了蜂窩高度對(duì)于壓降和傳熱的影響，得出蜂窩高度是影響折流板式蜂窩夾套壓降和傳熱的主要因素［14］。

為了研究工程應(yīng)用中折邊式蜂窩夾套的傳熱性能，筆者采用FLUENT 17.0軟件分別對(duì)三角形和正方形排列的折邊式蜂窩夾套和整體夾套內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

1 模型與計(jì)算方法

1.1 模型簡(jiǎn)化處理

折邊式蜂窩夾套設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，夾套介質(zhì)為導(dǎo)熱油，內(nèi)筒體介質(zhì)為水。筒體內(nèi)直徑1 300mm，高度1 515mm，材料為S22053；夾套內(nèi)直徑1 380mm，高度1 410mm，材料為S22053；蜂窩的其他結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 蜂窩夾套結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 折邊式蜂窩夾套設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中的蜂窩夾套按照三角形排列時(shí)，采用Solid Works軟件建立夾套簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)1/2模型如圖2所示。

圖2 折邊式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)1/2簡(jiǎn)化模型

1.2 模型網(wǎng)格劃分

利用FLUENT前處理器ICEM CFD 17.0對(duì)蜂窩夾套進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，采用六面體核心方法劃分網(wǎng)格，并對(duì)蜂窩和夾套邊緣區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以增加計(jì)算精度［15］。劃分后的折邊式蜂窩夾套半模型網(wǎng)格數(shù)量約為147萬(wàn)，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，滿足精度的要求。最后將處理的網(wǎng)格文件.msh導(dǎo)入到FLUENT中計(jì)算分析。劃分兩種排列方式的蜂窩夾套網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 折邊式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型

1.3 設(shè)置邊界條件

進(jìn)口邊界為導(dǎo)熱油流速進(jìn)口，設(shè)置速度依次為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0m/s，溫度為160℃；出口設(shè)置為自由出口。夾套內(nèi)壁面由于無(wú)法準(zhǔn)確獲得筒內(nèi)壁的對(duì)流給熱系數(shù)，邊界條件設(shè)定熱通量20kW/m2［16］；夾套外壁面設(shè)為絕熱面（T=300K）；對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱邊界。

1.4 求解器設(shè)置

在分析夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)變化時(shí)，為了使模型在計(jì)算后能更好地達(dá)到收斂性，進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的精度，本章節(jié)模型的求解器設(shè)置為壓力速度耦合求解器，同時(shí)選用SIMPLE算法進(jìn)行求解，并將流體三大基本控制方程離散格式均設(shè)置成二階迎風(fēng)差分格式［17］，殘差精度設(shè)定為10-6。同時(shí)，在截面Y=0.50m處對(duì)流體速度進(jìn)行監(jiān)視，在截面X=0.45m處對(duì)流體溫度進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)所監(jiān)視流體速度和流體溫度曲線的變化趨于穩(wěn)定并達(dá)到了收斂狀態(tài)，則認(rèn)為計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度符合要求。

2 不同夾套流場(chǎng)計(jì)算分析

2.1 不同夾套的3D流線圖分析

為觀察流體介質(zhì)在折邊式蜂窩夾套和普通整體夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)分布情況，選取3種不同結(jié)構(gòu)模型形式下的流體流動(dòng)3D流線圖，觀察分析流體介質(zhì)流向走勢(shì)的異同。不同形式夾套3D內(nèi)流線圖宏觀分布如圖4所示。

圖4 不同形式夾套結(jié)構(gòu)3D流線圖

從圖4可以看出，三角形排列的折邊式蜂窩夾套和正方形排列的折邊式蜂窩夾套中，流體在夾套內(nèi)部流動(dòng)時(shí)與蜂窩發(fā)生相互碰撞，流體的流動(dòng)速度和方向都發(fā)生改變，不會(huì)產(chǎn)生較大面積的渦流現(xiàn)象；三角形排列的折邊式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)流體的流動(dòng)變化比正方形排列的夾套結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜；在整體夾套結(jié)構(gòu)中，由于無(wú)蜂窩的擾流影響，流體的流動(dòng)比較單一，在夾套的中上部區(qū)域產(chǎn)生了多個(gè)大面積的渦流區(qū)域，不利于流體之間的換熱。

2.2 夾套的速度流場(chǎng)分析

為了直觀了解不同結(jié)構(gòu)形式下模型的整體速度和內(nèi)部速度的分布情況，分別選取模型整體速度流場(chǎng)分布云圖（圖5a1～c1）、截面Y為0.1、0.4、0.8、1.2m和截面Z=0.67m處的局部速度流場(chǎng)分布云圖（圖5a2～c2）進(jìn)行分析。

圖5 不同形式夾套速度流場(chǎng)分布云圖

由圖5a1～c1可知，在流體進(jìn)、出口邊緣區(qū)域的速度均有顯著的波動(dòng)。其中，三角形排列的蜂窩夾套速度波動(dòng)最為明顯，正方形排列的蜂窩夾套速度波動(dòng)次之，整體式夾套的速度波動(dòng)最小。從整體速度大小的情況來(lái)看，三角形和正方形排列的折邊式蜂窩夾套內(nèi)流體流動(dòng)速度比整體夾套內(nèi)流體速度小。分析認(rèn)為，由于折邊式蜂窩的存在，使得流體在夾套內(nèi)的流動(dòng)受阻，流體流動(dòng)的能量損失較大，從而使得流速變小。

由圖5a2～c2可知，在三角形排列和正方形排列的夾套內(nèi)、外壁邊緣和蜂窩邊緣區(qū)域速度大小比較均勻，而整體夾套內(nèi)流體只有在夾套的上下端才出現(xiàn)明顯的速度改變。這是由于蜂窩的存在，使得流體穿流過(guò)該處的流通區(qū)域時(shí)，流體與具有一定錐度的蜂窩相互發(fā)生碰撞，流體流速降低，使得流體與筒體內(nèi)壁面、蜂窩內(nèi)壁面和夾套壁面接觸充分，促進(jìn)冷、熱流體進(jìn)行熱量交換，提升傳熱效果。而整體夾套沒(méi)有蜂窩，致使流體在中部區(qū)域產(chǎn)生了大面積渦流現(xiàn)象，造成了此處的流速較小，甚至有停滯的現(xiàn)象。

比較三角形與正方形排列的夾套局部速度分布云圖可以看出，流體介質(zhì)在三角形排列的蜂窩夾套內(nèi)流動(dòng)情況比在正方形排列的更均勻。這是由于蜂窩交叉排列的影響，三角形排列的折邊式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)中的蜂窩排列疏密度比正方形排列結(jié)構(gòu)中的蜂窩排列得更加密集，流體介質(zhì)與蜂窩碰撞的次數(shù)更加頻繁，加強(qiáng)了蜂窩的擾流效果，從而有助于提升傳熱效果。因此，三角形排列的折邊式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)傳熱效果更好。

2.3 夾套的溫度場(chǎng)分析

為了直觀了解不同結(jié)構(gòu)形式下蜂窩夾套模型的整體溫度和內(nèi)部溫度變化情況，分別選取模型整體溫度場(chǎng)分布云圖（圖6a1～c1）、截面Y為0.1、0.4、0.8、1.2m和截面Z=0.67m處的局部溫度場(chǎng)分布云圖（圖6a2～c2）進(jìn)行分析。

由圖6a1～c1可知，兩種排列方式的折邊式蜂窩夾套中，由于蜂窩的存在，使得夾套內(nèi)流體與筒體內(nèi)壁的接觸更加充分，除了進(jìn)口處出現(xiàn)局部的高溫區(qū)域以外，夾套的其他部分溫度分布相對(duì)均勻。整體式夾套中，除流體進(jìn)口溫度過(guò)高以外，在夾套中上部區(qū)域，出現(xiàn)了大面積的局部低洼區(qū)域。這是由于流體流動(dòng)方向沒(méi)有變化，使得流體介質(zhì)與夾套無(wú)法進(jìn)行良好的換熱，導(dǎo)致整體式夾套的溫度分布不均勻，在中間區(qū)域出現(xiàn)局部低溫，這與整體夾套內(nèi)的3D流線流動(dòng)產(chǎn)生的渦流區(qū)域相一致。正是流動(dòng)渦流的存在，致使該區(qū)域的流體造成大面積停滯，從而導(dǎo)致此處的冷、熱流體換熱效果不明顯，傳熱性較差。

圖6 不同形式夾套溫度場(chǎng)分布云圖

由圖6a2～c2可知，蜂窩夾套中由于蜂窩的存在，在不同截面的溫度分布也相對(duì)均勻；整體式夾套中，溫度分布不均勻，尤其在夾套的頂部和中間偏上部位分別出現(xiàn)溫度過(guò)高和低洼的區(qū)域。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三角形排列折邊式蜂窩夾套傳熱性能的影響

3.1 蜂窩間距對(duì)傳熱性能的影響

對(duì)蜂窩間距L分別為140、150、160、170mm的4組模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱性能分析，得出不同蜂窩間距時(shí)速度流場(chǎng)分布云圖（圖7）和溫度場(chǎng)分布云圖（圖8）。

由圖7可知，隨著蜂窩間距的不斷增大，蜂窩整體的最大流速呈增大的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，這是因?yàn)殡S著蜂窩間距的增大，蜂窩的分布密度變得稀疏，使得流動(dòng)流體的損失在減小，從而使得流體的流速增加。但是，隨著蜂窩分布密度的減小，使得蜂窩夾套內(nèi)流體的擾流效果變差，使得流體流動(dòng)的死角區(qū)域增加，不利于夾套的換熱。

圖7 不同蜂窩間距時(shí)速度流場(chǎng)分布云圖

由圖8可知，在設(shè)備的進(jìn)口處均出現(xiàn)了溫度過(guò)高現(xiàn)象，其中在蜂窩間距為140mm時(shí)，溫度過(guò)高區(qū)域最小，且隨著蜂窩間距不斷增大，溫度過(guò)高區(qū)域不斷增大。分析認(rèn)為，這是因?yàn)殡S著蜂窩間距的增大，蜂窩排列越稀疏，蜂窩的擾流性變差，流體介質(zhì)與夾套和筒體內(nèi)壁面接觸越加不充分，致使換熱效果變差。

圖8 不同蜂窩間距時(shí)溫度場(chǎng)分布云圖

3.2 蜂窩錐度對(duì)傳熱性能的影響

對(duì)蜂窩錐度α為40、45、50、60°的4組模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱性能分析，得到不同蜂窩錐度時(shí)速度流場(chǎng)分布云圖（圖9）和溫度場(chǎng)分布云圖（圖10）。

圖9 不同蜂窩錐度下速度流場(chǎng)分布云圖

圖10 不同蜂窩錐度下溫度場(chǎng)分布云圖

由圖9、10可知，在設(shè)備入口處均出現(xiàn)了速度的波動(dòng)現(xiàn)象，并且該處均出現(xiàn)不同程度的溫度過(guò)高區(qū)域。其中當(dāng)蜂窩錐度α=45°時(shí)，溫度過(guò)高區(qū)域最小，溫度云圖相對(duì)較均勻；當(dāng)蜂窩錐度α=50°時(shí)，溫度過(guò)高區(qū)域最大；其他蜂窩錐度下的溫度過(guò)高區(qū)域處于以上兩種錐度之間。

在工程應(yīng)用中，蜂窩錐度α一般取40～60°［18］，為了能夠進(jìn)一步了解蜂窩夾套傳熱特性與蜂窩錐度之間的關(guān)系，分別對(duì)α為40、45、50、60°4種不同蜂窩錐度的三角形排列的折邊式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行傳熱計(jì)算，得到不同蜂窩錐度下，折邊式蜂窩夾套的夾套側(cè)給熱系數(shù)隨流量變化的曲線（圖11）。

圖11 不同蜂窩錐度時(shí)夾套側(cè)給熱系數(shù)隨流量的變化

由圖11可知，在α取45°時(shí)，折邊式蜂窩夾套的夾套側(cè)給熱系數(shù)比其他3種錐度的都高，這種錐度的給熱系數(shù)最好。在工程應(yīng)用中，從結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和傳熱方面考慮，折邊式蜂窩夾套的蜂窩錐度宜選45°。

4 結(jié)論

4.1 三角形排列的折邊式蜂窩夾套傳熱效果比正方形排列的折邊式蜂窩夾套傳熱效果好；且折邊式蜂窩夾套結(jié)構(gòu)傳熱效果比整體式夾套結(jié)構(gòu)傳熱效果好。

4.2 隨著蜂窩間距不斷減小，夾套側(cè)給熱系數(shù)不斷增加，蜂窩的擾流效果更好，蜂窩夾套的整體溫度分布更加均勻。在工程設(shè)計(jì)中，一定的條件下可適當(dāng)減小蜂窩間距以提升其傳熱效果。

4.3 在工程應(yīng)用中，當(dāng)蜂窩錐度為45°時(shí)，蜂窩夾套的夾套側(cè)給熱系數(shù)最好，流動(dòng)死區(qū)較小且溫度分布較均勻。