U形導流板換熱器傳熱和阻力性能分析

古新，張前欣，王超鵬，方運閣，李寧，王永慶

（1 鄭州大學河南省過程傳熱與節能重點實驗室，河南 鄭州 450002；2 河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院平頂山分院，河南 平頂山 467000）

換熱器作為工業過程中一種基本的換熱設備，應用于航空、化工、電力等部門。管殼式換熱器由于其結構簡單、實用性強等優點得到廣泛關注。其中傳統弓形折流板應用最為廣泛，但是在殼程區域壓降較大及存在流動傳熱死區，因此新結構開發優化對工程實踐有重大意義。

對管殼式換熱器殼程支撐結構的開發、優化及性能分析進行了大量的研究工作，例如采用曲面弓形板、三葉孔板、折流桿、螺旋扁管、簾式折流片等。王斯民等對螺旋折流板換熱器進行多目標優化研究，其結果表明：壓降與傳熱系數隨螺旋角的增大呈現先增大后減小的趨勢，且受螺旋角的影響較大。對連續型螺旋折流板進行改進出現三分、四分、六分等非連續型折流板。Wang 等對交錯式折流板換熱器進行研究，其綜合性能優于螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器，且折流板切割率對壓降和換熱系數的影響大于交錯角度。El Maakoul 等分析不同導流板對換熱器殼程性能的影響，結果表明，與弓形折流板換熱器相比，螺旋折流板和三葉孔折流板換熱器均具有較好的換熱性能，但是三葉孔折流板換熱器同時具有較大壓降。Mohammadi等研究多孔折流板對換熱器傳熱速率與壓降的影響，結果表明：當孔隙度為0.2 時傳熱性能最優。馬璐等研究不同類型簾式折流片對換熱器殼程壓降與傳熱性能的影響。Wen等對螺旋折流板進行改進提出梯形折疊式折流板，殼程流體近似螺旋流動，當折疊比為0.3、折疊角為37°時性能達到最優，較連續型螺旋折流板傳熱系數提高82.8%～86.1%，綜合性能提高28.4%～30.7%。Yang等對單側梯形螺旋折流板進行研究，折流板節距是影響殼程性能的主要因素，與弓形折流板換熱器相比較，溫度分布更加均勻。張軒愷等對梅花孔板進行改進提出螺旋型梅花孔板，螺旋型梅花孔板換熱器流場分布更加均勻，流動死區較小，且可以產生更高的射流速度，有效增強流體對換熱管束的沖刷作用。Gu等對扭轉流換熱器進行結構優化研究，結果表明：導流板傾角和導流板間距對扭轉流換熱器傳熱性能的影響顯著，在相同質量流量下壓降較簾式折流片換熱器降低18.5%～21%，傳熱系數提高7.3%～10.2%。

綜上所述，不同的管束支撐結構對管殼式換熱器殼程性能存在較大影響。依殼程流場螺旋流動狀態及類梯形導流板安裝制造工藝，研究人員提出了一種新型殼程支撐結構。新型殼程支撐結構的導流板由類梯形導流板切去一定比例后制成，在外形上呈U形，因此將其命名為U形導流板。多塊U形導流板周向布置為一組，沿軸向等間距排布于殼程；流體在殼程流動，經導流板被分割為多股斜向流體，整體呈螺旋流動均勻沖刷換熱管束，以此來實現流動減阻與傳熱強化。本文利用數值模擬、理論分析和實驗研究相結合方法，分析U形導流板結構參數及布置方式變化對殼程流場及溫度場的影響；在相同質量流量下與扭轉流換熱器殼程性能參數進行對比分析。

1 U形導流板換熱器數值模型

1.1 物理模型

在換熱器殼程區域，充分發展段的周期截面流動和傳熱性能基本可以反映殼程整體性能，所以采用全截面周期模型分析導流板結構參數變化對殼程性能的影響。對全截面周期模型進行適當簡化，僅保留換熱管壁、導流板、筒體外壁等關鍵部位。為評估U形導流板換熱器殼程性能，選擇扭轉流換熱器作為比較對象。兩換熱器結構模型如圖1所示，主要幾何參數如表1所示。

表1 U形導流板與扭轉流換熱器結構參數

圖1 換熱器結構模型

1.2 控制方程

流體流動與傳熱遵循質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等基本規律，在數值計算過程中主要用質量、動量和能量守恒方程，這三種方程是求解流體流動與傳熱的基本理論。

連續性方程[式(1)]

動量方程[式(2)]

能量方程[式(3)]

湍動能方程[式(4)]

湍流耗散率方程[式(5)]

1.3 網格劃分與邊界設置

由于換熱器殼程區域結構復雜，因此采用正四面體非結構化網格進行劃分。在相同質量流量下，對四種不同網格尺寸進行獨立性驗證，殼程傳熱系數與壓降計算結果如表2 所示。經誤差分析發現，當網格尺寸為3mm 時，性能參數變化趨于穩定，因此選取網格尺寸為3mm 的網格模型進行模擬分析，網格劃分示意圖如圖2所示。

表2 不同網格尺寸下壓降與傳熱系數

圖2 網格劃分示意圖

利用ANSYS Fluent 軟件對建立的模型進行數值模擬，在計算過程中壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，動量、能量等均采用二階迎風格式；綜合考慮換熱器管束支撐結構的變化，采用Realizable-湍流模型。進口設置為質量流量進口，一個周期的出口為下一個周期的進口，出口被覆蓋；進口水溫設置為293.15K；換熱管束壁面設置為393.15K恒溫；采用標準壁面函數，導流板和筒壁設置無相對滑移絕熱邊界條件。

2 實驗研究

為驗證數值計算結果的準確性和可靠性，利用LDV 技術對殼程流場關鍵位置的速度進行測量。依LDV測速技術特點，建立有機玻璃實驗模型且采用正方形布管方式，如圖3 所示，測量系統如圖4所示。實驗裝置主要包括：LDV 系統、水箱、增壓泵、轉子流量計、計算機數據處理系統、示蹤粒子。實驗開始前，將示蹤粒子加入循環水箱中，并保持循環通水5min，目的是排出管道和實驗模型中的氣泡，同時使示蹤粒子均勻地分布在水中。隨后通過調節閥門來控制實驗過程的循環水流量，直到轉子流量計達到實驗所需要的流量。實驗開始后，攜帶示蹤粒子的水在增壓泵的作用下依次經過水箱、閥門、轉子流量計、有機玻璃實驗模型進行循環流動。使用LDV 采集示蹤粒子的數據，數據經Flow Sizer 軟件處理后得到測量點的速度值。實驗過程中采用控制精度為2.0 的LBZ-50 型轉子流量計，量程0.6～6m/h，測量介質為水；示蹤粒子為直徑8～12μm、密度1.05～1.15g/mL 的中空玻璃球體。

圖3 U形導流板換熱器實驗模型（單位：mm）

圖4 實驗過程示意圖

2.1 儀器指標及實驗模型

LDV系統的主要參數如表3所示。

表3 LDV性能指標

2.2 實驗結果與誤差分析

在實際的實驗過程中，設備自身精度和測量誤差導致實驗數據存在不確定度，不確定度的表達式為式(6)。

式中，W是總的不確定度；是期望變量；是的自變量；W是自變量的誤差。在LDV測速實驗中，LDV 系統自身的測量誤差不超過0.2%，LDV 系統安裝和校準帶來的誤差不超過0.8%，轉子流量計的誤差不超過2.5%。經過計算可知，LDV測速實驗所得到的速度值的不確定度在2.63%以內。

導流板區域結構復雜，入口段與出口段流體流動變化較大，所以測量位置分布在導流板中間區域部分，如圖3中紅線所示。

本文建立了與實驗模型尺寸一致的三維模型并進行了數值計算，數值計算的邊界條件與實驗條件保持一致。數值模擬結果與實驗結果的對比如圖5所示，在殼程區域不同位置處速度的實驗數據與數值模擬結果吻合良好，驗證了數值模擬方法和結果的準確性和可靠性。造成誤差的原因可能有以下幾個方面：實驗模型與數值模型之間的尺寸差異，流體流量、激光強度和示蹤粒子濃度均存在細微變化等。

圖5 測量位置1處模擬值與實驗值對比

3 不同換熱器殼程性能對比分析

在相同泵工況條件下，對不同流態的兩種管殼式換熱器進行殼程區域流體流動模擬與性能對比分析。

3.1 殼程流場流動分析

殼程流體流動均勻性是管殼式換熱器考核性能指標之一。流體均勻流動，可以更好地沖刷換熱管束，使得受力分布均勻，降低管束振動破壞的影響。均勻性的量化研究有多種指標，如標準差或平均方差、面積加權平均速度、質量加權平均速度。本文采用統計學中的標準差來表征流體流動的均勻性，其表達式為式(7)。

式中，v是網格單元的速度；ˉ是殼程計算域的平均速度；是計算域內的網格數量。編寫Fluent 用戶自定義函數（UDF）提取殼程計算域內網格單元的速度并計算標準差。

殼程流體流動均勻性隨質量流量變化如圖6所示，速度矢量如圖7所示。

圖6 流動均勻性指標分布圖

由圖7可以看出，在相同質量流量下，U 形導流板換熱器均勻性指標低于扭轉流換熱器；隨質量流量的增加，流體快速經過殼程區域，導致流體在部分區域無法充分流動，因此換熱器流動均勻性都在逐漸變差；流體在殼程區域被U形導流板均等分割導流，整體呈螺旋流動可以均勻沖刷換熱管束，所以均勻性指標小于扭轉流換熱器。

圖7 殼程流體速度矢量圖

3.2 流動傳熱與流阻抑制機理分析

管殼式換熱器殼程傳熱系數的表達式為式(8)、式(9)。

式中，為換熱管壁面熱通量；Δ為殼程流體的對數平均溫差。

殼程努塞特數和阻力因子的表達式如式(10)、式(11)所示。

式中，Δ為殼程壓降；為殼程當量直徑；為殼程平均流速；為換熱管長度。在ANSYS的后處理軟件CFD-post 中提取式(8)～式(11)所需要的參數并對上述公式進行編碼計算。

使用/來評價管殼式換熱器殼程綜合性能變化，在不同質量流量下對U 形導流板換熱器和扭轉流換熱器的殼程壓降、傳熱系數和綜合性能進行對比分析。其計算結果如表4和圖8所示。

由圖8(a)、(b)可以得出，兩種換熱器殼程壓降與傳熱系數存在相同的變化趨勢；在相同的質量流量下，U形導流板換熱器殼程壓降和傳熱系數均小于扭轉流換熱器。由表4可知，相較于扭轉流換熱器殼程壓降降低45.3%～47.5%，傳熱系數降低9.9%～13.5%。在U 形導流板換熱器殼程區域，由于流通截面較扭轉流換熱器增大，因此流體受到較小的流動阻力，產生較小壓降；由于流體的螺旋流動，在相鄰兩組導流板之間較扭轉流動行為對流體的擾流作用減小，降低中心區域流體之間的摻混，導致傳熱系數降低。

圖8 U形導流板換熱器與扭轉流換熱器性能分析

表4 U形導流板和扭轉流換熱器不同流量下性能變化

由圖8(c)可以得出，在相同的進口質量流量下，U 形導流板換熱器綜合性能高于扭轉流換熱器。由表4可知，U形導流板換熱器殼程綜合性能較扭轉流換熱器提高4.0%～14.6%。

3.3 場協同分析

場協同理論認為流體速度場與溫度梯度間的協同性是影響傳熱性能的重要因素，而流體速度與壓力梯度間的協同性則會影響壓力梯度的做功能力。協同角是反應物理場協同度的指標，定義流體速度與溫度梯度間的協同角為，流體速度與壓力梯度間的協同角為，表達式見式(12)、式(13)。

編寫Fluent 用戶自定義函數（UDF）提取兩種換熱器殼程流體的協同角數據。圖9是U形導流板換熱器和扭轉流換熱器殼程協同角和隨質量流量的變化趨勢。在相同的質量流量下，U形導流板換熱器殼程協同角和均大于扭轉流換熱器，即U形導流板換熱器殼程流體速度與壓力梯度的協同性優于扭轉流換熱器，而流體速度與溫度梯度的協同性比扭轉流換熱器差。表明U形導流板換熱器殼程流體的整體螺旋流動能有效減小流動阻力，但對管束橫向沖刷作用不足，導致換熱系數低于扭轉流換熱器。

圖9 殼程流體協同角隨質量流量變化

4 導流板結構參數對殼程性能影響

4.1 布置角度對殼程性能影響

導流板與豎直平面間的夾角設置為30°、45°和60°，在導流板不同布置角度下，殼程流體流動模擬結果如圖10 所示。殼程壓降與傳熱系數存在相同的變化趨勢，隨質量流量的增加和安裝角度的減小，殼程壓降與傳熱系數均在不斷增加；導流板安裝角度越小，對流體產生的阻擋作用越大，因此會產生較大的流動阻力且在導流板附近會產生回流；但是當導流板安裝角度減小時，流體流通截面會隨之減小，更有利于流體橫向沖刷換熱管束，破壞邊界層，帶動湍流核心區域流體與邊界層流體的相互摻混，從而傳熱系數也較高。

圖10 不同安裝角度殼程性能參數變化

4.2 導流板間距對殼程性能影響

相鄰兩組導流板之間布置間距設置為80mm、100mm 和120mm，殼程性能參數隨導流板布置間距及質量流量變化如圖11 所示。在一定的布置間距條件下，隨質量流量的增加，殼程壓降和傳熱系數在不斷增加；在相同的質量流量下，隨導流板布置間距的增加殼程壓降和傳熱系數在逐漸降低；經導流板分流作用后，流體在相鄰導流板之間區域混合，流體得以緩沖從而降低壓降，所以隨導流板布置間距的增大，流體得到的緩沖作用更加明顯，與此同時降低了流體對換熱管束的沖刷作用、殼程區域各部分流體之間的摻混作用以及對邊界層的破壞能力，從而傳熱系數減小。

圖11 不同布置間距殼程性能參數變化

4.3 導流板寬度對殼程性能影響

導流板寬度設置為50mm、70mm 和90mm，數值模擬結果如圖12 所示。在不同的導流板寬度結構下，殼程壓降和傳熱系數隨質量流量的增加而增加，在相同質量流量下，導流板寬度對殼程壓降和傳熱系數的影響較小。隨導流板寬度的增加，使得相鄰兩組導流板間距減小，增加流體擾動程度，使得傳熱系數增加，但同時造成流阻增加。

圖12 導流板不同寬度殼程性能參數變化

4.4 布置方式對殼程性能影響

導流板不同布置方式模擬結果如圖13 所示。導流板對稱布置時的殼程壓降和傳熱系數都明顯高于平行布置與旋轉布置；當導流板對稱布置時，流體需翻越導流板在殼程流動，因此會增大殼程壓降，提高不同區域流體的擾動程度，提高傳熱系數；當導流板旋轉布置時，流體在殼程流動，在不同角度都可以受到導流板的分流與導流作用，因此產生較小的壓降，但是對換熱管束的沖刷作用降低。

圖13 不同布置方式殼程性能參數變化

4.5 極差分析

極差可以反應各因素對目標函數的影響程度，差值越大的因素對目標函數的影響也越大。對導流板角度、導流板間距、導流板寬度、導流板布置方式這四個因素分別設置三個水平值，目標函數則是殼程壓降和傳熱系數。針對四因素三水平設置了9組正交試驗方案并進行了數值計算，計算結果如表5所示。

表5 U形導流板換熱器正交試驗結果

每個因素不同水平的平均值之間最大值和最小值的差值即為極差。各因素下壓降的均值和極差結果列于表6，傳熱系數的均值和極差列于表7。從表6和表7的極差值可以得出，四個因素對壓降和傳熱系數的影響程度大小為：角度＞布置方式＞寬度＞間距。角度和布置方式對壓降和傳熱系數的影響遠大于間距和寬度，主要原因在于角度和布置方式對殼程流動形態影響較大，而間距和寬度則影響了殼程局部的流動方式，對主流影響較小。對U形導流板換熱器的殼程結構參數進行優化時應優先從導流板角度和導流板布置方式入手。

表6 壓降模擬結果的極差

表7 傳熱系數模擬結果的極差

5 結論

利用CFD方法對U形導流板換熱器和扭轉流換熱器殼程流動進行模擬研究。分析U形導流板換熱器流動特性，并對導流板布置方式及結構參數變化對殼程性能的影響進行研究，得出以下結論。

（1）采用U形導流板代替類梯形導流板，殼程流體在導流板區域呈多股斜向流動，整體呈螺旋流動，使得流體更加均勻沖刷換熱管束，有效減小殼程流動阻力。

（2）極差結果顯示導流板布置角度對換熱器殼程壓降和傳熱性能影響最大，布置方式影響次之，導流板間距的影響最小。

（3）在本文研究的參數范圍內，U形導流板換熱器較扭轉流換熱器壓降降低45.3%～47.5%，均勻性提高2.4%～4.0%，綜合性能提高4.0%～14.6%。

—— 導流板布置間距，m

—— 殼程當量直徑，m

—— 阻力因子

—— 換熱系數，W/（m·K）

—— 湍動能，m/s

—— 換熱管長度，m

—— 殼程質量流量，kg/s

—— 努塞特數

—— 網格數

Δ—— 殼程壓降，Pa/m

—— 熱通量，W/m

—— 速度均勻性指標

Δ—— 對數平均溫差，K

—— 管壁溫度，K

—— 入口溫度，K

—— 出口溫度，K

—— 殼程平均流速，m/s

v—— 網格單元的速度，m/s

—— 導流板寬度，m

W—— 不確定度

—— 速度與溫度梯度協同角，（°）

—— 速度與壓力梯度協同角，（°）

—— 湍流動能耗散率，m/s

—— 有效導熱系數，W/(m·K)

—— 導流板布置角度，（°）

—— 動力黏度，m/s

—— 流體密度，kg/m

—— 運動黏度，m/s