管殼式換熱器殼程多相流在線清洗技術研究的數值模擬

[摘 要]本文提出了一種管殼式換熱器殼程的多相流在線清洗技術，給企業管殼式換熱器殼程污垢清洗難的問題提供了一種新的方法。在進行實驗前，用FLUENT軟件對流體在管殼式換熱器殼程的情況進行了模擬，以了解殼程內的流動情況及流動速度，為實驗奠定了基礎。

[關鍵詞]管殼式換熱器 多相流 FLUENT

傳熱面污垢會引起換熱器的傳熱效率大幅度下降，傳熱管內污垢在線自動清洗技術比較多，有自轉鋼絲螺旋線、自轉塑料扭帶、自轉螺旋齒管、電廠冷凝器膠球、自轉塑料齒帶、循環流態化等等，技術也比較成熟，并且工業應用的綜合效益也比較大。但是，換熱器殼程清洗的研究者不多，管殼式換熱器殼程的污垢在線清洗技術的研究者更少。

本文提出了一種管殼式換熱器殼程的污垢多相流在線清洗技術，并借助FLUENT軟件對多相流在管殼式換熱器殼程的流動清洗情況進行了數值模擬。以此來驗證此多相流清洗在管殼式換熱器殼程上應用的可行性。

一、 殼程多相流在線清洗實驗裝置

管殼式換熱器多相流清洗裝置系統示意圖如圖1所示。該裝置利用磁力驅動泵對液體作功；射流器的作用將液體與固體混合形成固液兩相流，并使混合后的流體以一定的速度流進換熱器; 水槽的最主要功能是保證固體顆粒的均勻流態化，同時回收固液流體， 并兼作磁力驅動泵的泵槽。

圖1 管殼式換熱器多相流清洗裝置系統示意圖

二、多相流清洗技術的基本原理及清洗磨料的選擇

多相流是指兩相或兩相以上不相溶（或具有相界面）物質的混合體。

當管間流速達到一定值時， 水流將產生強烈的彌散渦流，對管壁具有較強的沖刷效應， 通過射流器將一定粒度范圍的固體顆粒按適量的配比置入清洗水流后， 固體顆粒借助水流的載帶及渦流效應可與水充分地進行摻混， 實現均勻流態化。顯然， 這種液固兩相流由于固體顆粒可與水充分地進行摻混， 其速度松弛的時間較長， 因此， 固體顆粒具有較高的動能。當這種液固兩相流連續不斷地循環流經管殼式換熱器管間環隙時， 均勻流態化的固體顆粒隨機而頻繁地碰撞、擦刮管子的表面污垢，對污垢施加強烈的沖刷、磨削和破碎等物理作用， 從而達到除垢清洗的目的。

在以往用于多相流清洗的固相多為河砂和剛玉，本項研究中采用了自制的發泡橡膠鋼絲球，其特點為質輕，能懸浮于水中，并且合金鋼絲堅硬銳利，對金屬的表面污垢能夠很好的磨削。

三、FLUENT數值模擬

為了在實驗前能夠對多相流在管殼式換熱器殼程內的流動情況，以及流體在殼程內所能達到的速度有所了解，因此利用FLUENT軟件對多相流在管殼式換熱器殼程內的流動情況進行了模擬，為實驗奠定了基礎。

幾何模型采用實驗時所用模型為普通管殼式換熱器， 單管程、單殼程和弓形折流板， 其結構簡圖如圖2所示，換熱器的幾何參數為殼體長為500mm內徑為190mm，19根管徑20mm的正三角形排列，管間距為35mm， 弓形折流板4塊。

圖2 管殼式換熱器的結構簡圖

1.模型的建立及網格劃分

弓形折流板換熱器的內部是相互交錯的三維復雜幾何體，因此采用分塊劃分的方法將殼程區域進行分割，然后分別對分割后的子塊進行非結構化網格劃分，這里采用的是四面體網格和金字塔網格。另外，在對換熱器進行結構模擬建模時，考慮了換熱器入口和出口部分對于換熱器整體流動特性的影響。

2.計算求解設置

因湍流效應對流動與傳熱有一定的影響故采用k-ε二方程模型。采用分離變量法(Segregated) 隱式( Implicit) 求解，保證收斂的穩定性;壓力和速度解耦采用SIMPLE 算法;動量、能量，以及湍流參量的求解采用二階迎風格式(Second Order Upwind) ;計算流體進口采用速度入口條件，給定流體流速為6m/s、溫度及相應的湍流條件;出口采用自由出口邊界條件(outflow) ;殼體壁面采用不可滲透、無滑移絕熱邊界，并給定換熱管壁面溫度;穩態不可壓縮求解。多相流設為水和發泡橡膠鋼絲球，由于含固量低且固相顆粒質輕，所以殼程介質只設為水。

3.計算結果及分析

由圖3可以看出，流體的軸向流動由于受到折流板的阻擋而呈現整體的“Z”型流動， 由圖4、圖5可以看出，流體流經折流板時流速發生劇烈變化，其中在流通截面突變的圓缺處形成高速流動區，而在折流板背面則形成回流滯流區。在進出口區域， 流體流速有較大的變化。

由圖3可看出流體在殼程的流速為0.479m/s，由于固相采用的是自制的發泡橡膠鋼絲球，可以懸浮于水中，因而液體流速足以帶動固相顆粒實現清洗，如果選用沙子，其自由沉降速度為0.243m/s，殼程流速大于其沉降速度，因此足以能夠帶動沙子實現清洗。但是，由于在折流板附近存在一個流速較低的區域，在此區域清洗情況會稍差，這樣可能造成清洗不均勻。

4.三相流清洗及模擬

采用兩相流可以實現殼程清洗，但可能造成清洗不均勻，所以，可嘗試加入氣體實現三相流清洗，來改善由于滯流區的存在而造成的清洗不均勻的情況。如圖8所示，在換熱器底部加兩根噴氣管。在清洗氣流的噴射下，氣泡向上浮生運動時，形成氣、液、固三相流態化橫過管子流動。噴氣管上的噴氣孔為兩排向上其夾角為120°，開孔方向為水流向下區域孔斜向折流扳背面，水流向上區域孔口方向垂直于管束。

圖8 換熱器橫截面噴氣管位置示意圖

FLUENT模擬改進后的幾何模型是在改進前的幾何模型基礎上加入了噴氣管，劃分網格方法同上。在計算求解時又選用了混合模型，噴氣管進口采用速度入口條件，給定流體流速為18m/s。

由圖4、圖5與圖10、圖11比較可以看出，折流板背面則形成回流滯流區問題已解決，殼程90%速度可達到2.61～5.19m/s之間，殼程內整體流速提高很多，這樣清洗速度也會有所提高。比較圖6、圖7和圖12、圖13也可看出，兩相流時在折流板圓缺處流速比其他部分高，造成清洗不均勻，而三相流整個橫截面各個管子周圍流速相差不大，基本可實現均勻清洗。

四、 結論

本文提出了一種管殼式換熱器殼程的多相流在線清洗技術，給企業管殼式換熱器殼程污垢清洗難的問題提供了一種新的方法。在進行實驗前，用FLUENT軟件對流體在管殼式換熱器殼程的情況進行了模擬，證明流體流速足以帶動固相顆粒實現清洗。兩相流時由于在折流板附近存在一個流速較低的區域，在此區域清洗情況會稍差，這樣可能造成清洗不均勻，用三相流可解決折流板背面則形成回流滯流區問題，還可使整體流速提高，縮短清洗時間。

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(作者簡介：康鐵鑫（1979-），男，漢族，遼寧沈陽人，助理工程師，碩士研究 生，主要從事化工過程機械相關領域的研究。)