PDH裝置進出料換熱器入口流場分布特性研究

(武漢東海石化重型裝備有限公司，湖北 武漢 430223)

針對我國能源利用率低的問題，換熱器利用工業(yè)中的余熱資源，提高能量綜合利用率、降低能耗，是解決我國能源問題的基本途徑之一[1]。管殼式換熱器是在煉油等行業(yè)中應用最多的換熱設備，不僅能夠調節(jié)工藝介質的溫度以滿足生產的需要，同時也能有效進行余熱回收[2]。管殼式換熱器內部包含管程流體和殼程流體[3]。管程流體經(jīng)過管箱后流入換熱管內，在針對換熱器的計算中，一般假定進入換熱管的流體受到平均分配，換熱管中的流動狀態(tài)、流量相同，但在實際過程中，由于換熱管的位置不同，流體在圓臺狀管箱內發(fā)生射流，造成換熱管內流體分布不均勻，同時流體存在徑向流速，對管板、換熱管產生沖蝕作用，降低了傳熱效率，同時增大了換熱器流體泄漏的風險，影響換熱器的使用壽命，存在很大的安全隱患[4]。

針對以上問題，國內有些學者對換熱器管箱內流體分布進行了研究。吳金星等[5]應用數(shù)值分析方法，提出錐形導流筒結構，改善管箱內流場與壓力場的影響；李旭波等[6]研究采用管箱分布器改善流速不均衡情況；劉紅姣等[7]研究了導流筒在不同半錐角下對流場與壓力場的影響。本文采用CFD數(shù)值模擬方法，對兩種不同孔徑且孔均勻分布的圓形分布板進行分析。分布板置于換熱器管箱的入口，通過改變入口流速，對比流體在分布板處壓力場與速度場的分布情況，得到圓形分布板上圓孔直徑的最佳尺寸。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型建立

根據(jù)換熱器的設計標準以及換熱器的規(guī)格，使用三維軟件Space Claim建立了換熱器進口管箱三維模型(見圖1)，進口管箱由圓臺、圓柱和圓臺內部的圓形分布板組成，其入口直徑D1=200 mm，出口直徑D2=400 mm，圓柱高度H0=200 mm，整體高度H=454.3 mm，圓形分布板的直徑為D0=370 mm，厚度h=10 mm。

圖1 進口管箱三維模型

本文設計了兩種不同孔徑且板上圓孔為圓環(huán)形均勻分布的圓形分布板，一種孔徑d=16 mm，共97個孔；另外一種孔徑d=25 mm，共37個孔。其幾何模型和具體尺寸見圖2、圖3。

圖2 孔徑d=16 mm圓形分布板幾何模型

圖3 孔徑d=25 mm圓形分布板幾何模型

1.2 初始邊界條件

本文采用單相流體模型，流場內流體為水蒸氣，物性為常數(shù)，且為各向同性、均勻連續(xù)的介質。水蒸氣在換熱器管箱內作定態(tài)流動，入口采用速度入口邊界，流速的范圍為1～10 m/s，水力半徑為0.2 m，湍流強度定義為5%。出口設置為壓力出口邊界，水力半徑0.4 m，湍流強度5%，且管箱和管板的壁面均采用無滑移邊界條件。

1.3 數(shù)值方法

本文采用ICEM對換熱器進口管箱進行網(wǎng)格劃分(見圖4)。

圖4 網(wǎng)格劃分

本文采用Fluent流體軟件對所有模型進行數(shù)值模擬計算，湍流模型選取標準的k-ε模型，并且不考慮傳熱管是否傳熱。其他參數(shù)選項采用默認設置。初始化方法選用混合初始化。

2 結果和討論

2.1 分布板壓降特性分析

對兩種不同孔徑分布板在不同進氣流速下的情況進行模擬，得到了進出口處的壓降值(見圖5)。

圖5 不同進氣速度下不同孔徑分布板的壓降分布圖

壓降的存在是物料被流化的基本保障[8]。從圖5可以看出，入口流速較小時，壓降相對較小，隨著入口流速的變大，壓降也會明顯地增大；入口速度越大，壓降增加的曲線會越陡。這是由于在相同孔直徑下，流入流體越多，流體通過分布板的流體阻力就越大，壓降也會逐漸變大。同時，在相同入口流速的情況下，分布板的孔徑越大，壓降反而越小，壓降提高的幅度會較小。所以在需要達到同一壓降時，孔徑較大的分布器所用到的進氣速度會比孔徑較小的分布器更大。

為對比分析低速入口條件和高速入口條件對流場的影響，采用入口流速υ=1 m/s、10 m/s對進口管箱進行模擬分析。圖6、圖8是經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的壓力分布圖，如圖所示整體呈現(xiàn)馬鞍形，中部壓力高，邊緣壓力低。從圖7、圖9中可以看出，在相同的入口流速的情況下，d=16 mm內部壓力降大于孔徑大的內部壓降；擁有d=16 mm分布板的換熱器進口管箱的速度分布更加均勻；增大流體進口流速，兩種換熱器進口管箱內部的壓力不均勻度的差距在減小。

圖6 υ=1 m/s時不同孔徑下的進口管箱全局壓力分布

圖7 υ=1 m/s時不同孔徑下的進口管箱中軸線壓力值

圖8 υ=10 m/s時不同孔徑下的進口管箱全局壓力分布

2.2 分布板速度場特性分析

圖10、圖12分別為入口速度1 m/s和10 m/s時，兩種擁有不同孔徑分布板的換熱器進口管箱在X=0，YZ平面速度云圖與流線圖，可分析低速入口條件和高速入口條件對流場的影響。

圖9 υ=10 m/s時不同孔徑下的進口管箱中沿著軸線壓力值

圖10 υ=1 m/s時不同孔徑下的進口管箱全局速度分布

圖11 υ=1 m/s時不同孔徑下的進口管箱中軸線速度值

圖12 υ=10 m/s時不同孔徑下的進口管箱全局速度分布

從圖10、圖12中可以看出，裝置內部流速分布的等值線呈馬鞍形，中部流速較高，兩端流速較低。速度從入口處逐漸降低，在到達分布孔處速度分布已經(jīng)比較均勻。從圖中可以看出，在分布器的周邊存在一個小的死區(qū)，其中的流體存在回流。當分布板內分布孔d=16 mm時，換熱器進口管箱流通截面積的減小率更大，導致管箱內部擾動更劇烈，隨進口流速加快，流體受到分布板的阻攔效果更明顯，進入分布板處產生的回流區(qū)域更大，同時經(jīng)過分布板后，在無分布孔處均存在回流，管箱壁處水流同時受到壁面的限制，產生的回流區(qū)大于其他地方；分布板孔直徑越大，產生的回流越少。

圖11、圖13顯示，流體經(jīng)過分布孔時，由于流通截面積的減小，流速增加，由于流通截面積的變化率更大，d=16 mm的分布孔內流動速度更大；經(jīng)過分布板后，流通截面積增加，速度降低并存在波動，d=16 mm的速度降低，但快于d=25 mm的；擁有d=16 mm分布板的換熱器進口管箱的速度分布更加均勻。

圖13 υ=10 m/s時不同孔徑下的進口管箱中軸線速度值

圖14、圖15是入口速度為1m/s、10m/s時，兩種不同孔徑換熱器進口管箱在Z=190mm、260mm和420 mm時的XY平面速度云圖。從Z=190mm和Z=260 mm云圖中可以看出，d=25 mm的管間流速更大，速度分布更加不均勻；在高速入口條件下，兩種換熱器進口管箱內部的速度不均勻度的差距在減小。

圖14 υ=1 m/s時不同孔徑下的進口管箱橫截面速度云圖

圖15 υ=10 m/s時不同孔徑下的進口管箱橫截面速度云圖

3 結語

通過對換熱器進口管箱內部進行數(shù)值模擬，可以得到如下結論。

(1)裝置內部壓力分布與流速分布的等值線均呈馬鞍形，中部數(shù)值較大，邊緣數(shù)值較小。

(2)在相同的入口流速下，直徑16 mm分布板上的壓力分布情況比直徑25 mm分布板更差；在直徑16 mm分布板上由于流通截面積變化率更大，速度值更大，速度分布情況優(yōu)于直徑25 mm分布板。

(3)增加進口流速，壓力分布情況會得到改善，所以，要想得到相同的流化效果，直徑16 mm分布板比直徑25 mm分布板需要更大的入口流速，這會導致能耗增加，但是穩(wěn)定性更強。

(4)隨著進口流速的增加，兩種換熱器進口管箱內部的速度不均勻度在減小。