管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱的數(shù)值模擬研究

何 超，瞿瑩，王華玲，蔣志鵬，吳宏亮

（1.淮陰工學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院 江蘇省先進制造技術(shù)重點實驗室，江蘇 淮安 223003；3.淮安市鼎新電子有限公司，江蘇 淮安 223200）

管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于電站、船舶、石油化工及制冷空調(diào)等領(lǐng)域的換熱設(shè)備中。而管殼式換熱器在這些領(lǐng)域工作過程中，往往存在著大量的相變換熱及兩相流動問題，對換熱器本身的傳熱效率及使用壽命等有著至關(guān)重要的影響[1]。統(tǒng)計數(shù)字表明，在工業(yè)用換熱器中有近50%的換熱器均在殼程存在兩相流動，諸如重沸器、凝結(jié)器和蒸發(fā)器等[2]。

管殼式換熱器殼程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體在殼程的流動也很復(fù)雜，使用實驗方法很難得到換熱器內(nèi)部具體的流場和溫度場，且耗時和昂貴，傳統(tǒng)的理論計算基礎(chǔ)上進行建模實驗驗證的設(shè)計方法顯得越來越低效。隨著計算機技術(shù)的不斷升級以及CFD技術(shù)的快速發(fā)展，采用數(shù)值模擬的方法來對換熱器進行流體與傳熱的特性計算，預(yù)先得出傳熱與阻力的準數(shù)關(guān)聯(lián)式，為實際尺寸模型的設(shè)計提供可靠的依據(jù)成為了一種趨勢，是繼實驗方法后的一種重要換熱器研究手段[3]。因此，以常用的管殼式換熱器（弓形折流板換熱器）作為研究對象，該換熱器殼程流體發(fā)生冷凝相變及兩相流動，采用CFD模擬軟件建立管殼式換熱器三維實體模型，對殼程流體的速度場、溫度場和冷凝水體積分布情況進行了分析研究[4]。

1 換熱器殼程流場數(shù)值模擬

1.1 基本控制方程

流體介質(zhì)的流動必然會受到物理學(xué)守恒定律的支配，流體介質(zhì)的流動要滿足三個基本的物理量守恒定律：物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律、物質(zhì)的動量守恒定律和物質(zhì)的能量守恒定律。如果流體流動屬于湍流流動狀態(tài)，則還要滿足湍流輸送方程。殼程介質(zhì)為飽和水蒸氣，其換熱后發(fā)生冷凝，涉及傳質(zhì)和相變，因此還需要添加一個組分質(zhì)量守恒方程。

（1）質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）

對于不可壓縮流體，ρ為常數(shù)，故不可壓縮流體三維流動的質(zhì)量守恒方程可表示為：

（2）動量守恒方程

（3）能量守恒方程

（4）組分質(zhì)量守恒方程

式中：U為速度矢量，u、v、w分別為速度矢量U在x、y、z坐標方向的分量，ρ為流體密度，t為時間，μ為流體的動力黏度，p為壓力，Su、Sv、Sw三個動量守恒方程的廣義源項，T為溫度，λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為比熱容，ST為粘性耗散項，Cs為組分s的體積濃度，Ds為擴散系數(shù)，Ss為系統(tǒng)內(nèi)s組分質(zhì)量的產(chǎn)生率[5]。

1.2 計算模型

進行數(shù)值模擬的換熱器為普通管殼式換熱器，換熱器結(jié)構(gòu)為單管程、單殼程和單弓形折流板，其結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 計算模型與計算條件的簡化

由于換熱器殼程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在保證相關(guān)物理量準確的前提下，建立模型時作如下簡化假設(shè)：（1）折流板與換熱管、折流板與殼體之間的間隙忽略不計；（2）拉桿、定距管、不凝氣出口管等結(jié)構(gòu)忽略；（3）流體流動和傳熱過程穩(wěn)定，不考慮污垢熱阻；（4）流體視為不可壓縮流，各向同性且連續(xù)；（5）氣相看作純組分，忽略液膜熱阻[6]。

計算邊界條件的簡化：（1）殼體光滑，無滑移邊界條件；（2）假設(shè)換熱管外壁溫度為恒溫；（3）中心面為對稱邊界；（4）速度進口和壓力出口邊界條件，出口表壓力為0 MPa。

1.4 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

該軟件以有限元法為基礎(chǔ)，采用迭代方法進行數(shù)值模擬計算，需要對模型進行網(wǎng)格劃分。建立的模型為三維模型，網(wǎng)格劃分時運用對稱特性，實際計算時只取一半的模型進行，從而減小了模型尺寸，降低了計算成本。簡化后的幾何模型如圖1，劃分完的網(wǎng)格的模型如圖2。

圖1 簡化幾何模型

圖2 網(wǎng)格劃分

1.5 求解設(shè)置

1.5.1 物理場選擇

換熱器殼程和管程流體均為湍流流動，同時熱流體和冷流體之間存在傳熱情況。對于上述情形，該軟件的流體流動模塊下設(shè)置了非等溫流動，再下設(shè)湍流k-ε物理場，該接口將流體傳熱與湍流k-ε接口相結(jié)合，自動添加了非等溫流動多物理場耦合，可用于模擬傳熱與流體流動之間的耦合。在湍流k-ε物理場中，物理模型選擇了傳統(tǒng)雷諾平均模型（RANS）的k-ε二方程模型，流體為不可壓縮流動，壁處理為壁函數(shù)。

1.5.2 定義邊界條件

邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口邊界條件，開啟重力條件，重力加速度方向為-z軸方向。殼程飽和蒸汽入口速度為0.4 m/s，入口溫度為155℃，管程冷卻水入口速度為0.01 m/s，入口溫度為50℃。在流體傳熱物理場中，環(huán)境溫度為20℃，環(huán)境絕對壓力為1個標準大氣壓，定義換熱器所有壁為薄層。殼程飽和蒸汽相變溫度為151.85℃，冷凝潛熱2108.4 kJ/kg。湍流條件采用湍流長度和湍流強度，湍流長度尺度取0.07r，其中r為入口通道半徑，湍流強度I通過經(jīng)驗公式（7）求得。除了對稱面，其余外部邊界都是熱絕緣壁面。在進行數(shù)值模擬時，因為出口常常會發(fā)生回流，因此使用壓力出口邊界來代替速度出口邊界條件以獲得更好的收斂效果，并設(shè)定出口為法向流并抑制回流。壁面的邊界選擇無滑移的剛性壁面，除了對稱面，其余所有外部邊界都是熱絕緣壁面。

2 計算結(jié)果分析

2.1 速度流線圖

由圖3（a）可見由于入口處截面積較小，流體流入殼程時，由于流動截面積增大，流速快速降低。殼程內(nèi)流體由于換熱器殼壁和折流板的作用，整體呈“Z”字形向出口流動，在折流板的缺口下方，形成了明顯的旋渦，而且流速較低，在折流板根部靠近殼壁處，則較少有流線經(jīng)過，說明在該處存在流動死區(qū)，區(qū)域內(nèi)流體經(jīng)過量較少，傳熱影響明顯。圖3（b）顯示由于換熱管的阻擋作用，流體沿換熱管間隙向殼程內(nèi)部流動，當遇到殼壁時，流體沿殼程斜下方流動。

圖3 殼程流體的速度流線圖

2.2 溫度分布圖

圖4（a）顯示在換熱管管壁處出現(xiàn)了淺色區(qū)域，主要集中在第一折流板根部的流動死區(qū)和第二折流板缺口下方的旋渦區(qū)，這是因為這兩個區(qū)域內(nèi)，新進的流體流量少，流速低，區(qū)域內(nèi)流體與換熱管內(nèi)冷流體換熱時間相對較長，新進流體補充不充分，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)殼程流體溫度比附近區(qū)域要低，與管程冷流體間的相對溫差變小，根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱基本公式可知，該區(qū)域的傳熱量較高溫區(qū)域要低。從圖4（b）中可看出，高溫飽和蒸汽從換熱器入口接管進入換熱器后，溫度逐漸降低，總體的變化趨勢也呈“Z”字形，這說明溫度的分布與速度流線有著直接的關(guān)系，同時折流板根部流動死區(qū)和缺口下發(fā)旋渦區(qū)，由于傳熱效果差，溫度比同高度的其他區(qū)域要低。

圖4 殼程流體的溫度分布圖

2.3 冷凝水體積分布圖

圖5（a）可以看出，殼程進口段至上側(cè)的折流板區(qū)域，凝結(jié)并不明顯，這是因為管程流體經(jīng)換熱器下部換熱后，流體溫度較高，與入口蒸汽溫差較小，傳熱系數(shù)較低，且新進入殼程的飽和蒸汽流速快，使得冷凝形成的濕蒸汽向換熱器下方移動，而在上側(cè)折流板至殼程出口段，蒸汽冷凝快速發(fā)生。在換熱管管壁處，冷凝水的體積分布也比附近區(qū)域要高。

圖5（b）可以看出冷凝水的體積分布也是呈“Z”字形分布，與殼程流體速度流線和溫度分布情況相吻合。由于不斷通入殼程入口的高溫蒸汽持續(xù)給前方流入換熱器內(nèi)的氣體加熱，進口處凝結(jié)量較少，沿速度流線方向上，冷凝水體積占比從進口到出口逐漸升高，在出口處及下管板附近，該區(qū)域體積分數(shù)接近1，說明飽和蒸汽基本完全冷凝。在折流板背部的流動死區(qū)及折流板缺口背部的旋渦區(qū)，冷凝水的體積占比比同高度的其他區(qū)域要高，這是因為該區(qū)域新進的高溫蒸汽流量少，蒸汽溫度較低，與管程冷流體換熱后，凝結(jié)量較大，又因為該區(qū)域流體流動緩慢，凝結(jié)形成的濕蒸汽不能快速流動離開該區(qū)域，故區(qū)域內(nèi)冷凝水的體積分布大。

圖5 殼程冷凝水的體積分布圖

3 結(jié)論

以常用的弓形折流板管殼式換熱器為研究對象，通過對換熱器殼程三維流場的流動與傳熱進行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

（1）高溫飽和水蒸氣由入口進入換熱器，由于換熱管的阻擋，流體沿換熱管間隙向換熱器殼壁流動，同時在折流板作用下，呈“Z”字形向換熱器出口流動。換熱器殼程內(nèi)部的溫度和冷凝水體積分布也隨流體流動情況而變化，整體也呈“Z”字形，與流體速度流向正相關(guān)。

（2）在折流板缺口背部區(qū)域出現(xiàn)旋渦區(qū)，該處流體流速較低，同時折流板根部出現(xiàn)流動死區(qū)，這兩個區(qū)域溫度比同高度的其他區(qū)域溫度低，因此冷凝水體積分布較大，說明低流速區(qū)域冷凝現(xiàn)象較明顯，不利于傳熱進行。

研究結(jié)果有助于對相變換熱情況下的管殼式換熱器殼程流體流動增加認識，并為結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供參考。