一種帶狀支撐的縱流殼程換熱器熱力特性分析

王永慶，靳遵龍，郭曉迪，雷佩玉，郭月明

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

換熱設(shè)備是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工等許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備.雖然換熱設(shè)備種類繁多，但管殼式換熱器具有制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓的一系列優(yōu)點(diǎn)，使用范圍最廣［1-2］.近年來，新型殼程支撐形式的換熱器不斷涌現(xiàn)［3］，縱流殼程換熱器受到越來越多的關(guān)注，縱流殼程換熱器是指通過管束支承結(jié)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折流板支承結(jié)構(gòu)，使殼程流體主要呈縱流方式流動(dòng)的一類換熱器［2，4-5］，由于其殼程流體縱向沖刷管束，與管程流體實(shí)現(xiàn)了近似完全逆流，有效溫差大，傳熱死區(qū)小，且支承結(jié)構(gòu)對殼程流體擾動(dòng)強(qiáng)，傳熱效率高，也有效地防止了流體橫向沖刷管束時(shí)引起的流體誘導(dǎo)振動(dòng).

對縱流殼程換熱器的進(jìn)一步深入研究，是當(dāng)前的一個(gè)重要課題，尤其對換熱器殼程中的流體流動(dòng)與傳熱過程進(jìn)行分析與研究有助于開發(fā)可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的換熱器結(jié)構(gòu).采用數(shù)值模擬方法對換熱器進(jìn)行細(xì)觀分析與研究，是對實(shí)驗(yàn)與理論研究的一個(gè)有益補(bǔ)充，促進(jìn)了換熱器的進(jìn)一步發(fā)展［6］.

筆者對一種帶狀支撐縱流殼程換熱器的殼程流體流動(dòng)與傳熱特性進(jìn)行了研究與分析，得到了殼程流場和溫度分布等細(xì)觀信息，對其在不同幾何參數(shù)及工況情況下的熱力性能進(jìn)行了綜合分析，并將其特性與折流桿式支撐殼程特性進(jìn)行了對比.

1 模型的建立

縱流殼程換熱器殼程內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工業(yè)應(yīng)用中換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸過于龐大，如采用數(shù)值模擬方法對整個(gè)換熱器殼程進(jìn)行模擬，受計(jì)算機(jī)軟硬件條件的限制，難以得到較為準(zhǔn)確可靠的結(jié)果.

1.1 殼程模型的建立

縱流殼程換熱器殼程結(jié)構(gòu)中除殼程殼體對其附近的流體流動(dòng)與傳熱有較大的影響外，內(nèi)部遠(yuǎn)離殼體的支承結(jié)構(gòu)具有的對稱重復(fù)性以及流體在殼程離開進(jìn)出口段的流動(dòng)具有周期性.在模擬計(jì)算中將整個(gè)殼程簡化為周期性單元流道模型.

換熱器的殼體直徑遠(yuǎn)大于換熱管直徑，在殼程橫截面上，殼壁附近的流動(dòng)對整個(gè)殼程中心主流區(qū)域的影響較小，且由于流動(dòng)基本上呈現(xiàn)縱向流狀態(tài)，流體在徑向上的速度分量相對較小，因此符合對稱性簡化的要求;換熱器殼程長度較大，流體進(jìn)入殼程后，除了在入口和出口處受進(jìn)出口的影響流動(dòng)狀況變化較大以外，在其余的整個(gè)殼程空間，受殼程結(jié)構(gòu)周期性的影響，流體流動(dòng)在充分發(fā)展后，呈現(xiàn)出一定的周期性，符合周期性簡化的要求.因此，周期性單元流道模型可以較為有效地反映縱流殼程換熱器殼程內(nèi)流體流動(dòng)的特性［7］.帶狀支撐縱流殼程換熱器的殼程周期性單元流道模型如圖1所示.Lb為支撐間距，一個(gè)周期性單元流道長度取2Lb.

圖1 周期性單元流道模型Fig.1 Periodic fluid flow unit model

圖1 中，面 1，2，3，4 設(shè)置為對稱面，面 5，6，7，8為計(jì)算模型中的換熱面，對應(yīng)于管壁面，流道的兩個(gè)端面為周期性面，流體沿z軸正向先后經(jīng)過兩個(gè)垂直排布的支撐結(jié)構(gòu).在周期性模型中，壓力可由壓力梯度來表征，壓力梯度可理解為單位長度的壓力降，其定義式為:

1.2 模型的正確性驗(yàn)證

采用冷模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有關(guān)數(shù)值模型的正確性.本實(shí)驗(yàn)采用LDV測量某些關(guān)鍵點(diǎn)的流速.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，橫截面中橫向的流體流速v比軸向的流速u小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以把單元流道的邊界面設(shè)置成對稱面.

采用鄭州大學(xué)熱能工程研究中心計(jì)算關(guān)聯(lián)式［2］和 Phillips石油公司計(jì)算關(guān)聯(lián)式［5］，驗(yàn)證折流桿換熱器殼程傳熱系數(shù)數(shù)值結(jié)果，對殼體直徑為1 000 mm的換熱器，在 Re數(shù)為10 000和15 000兩種情況下，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果，Nu數(shù)誤差均小于10%.以上流動(dòng)與傳熱的驗(yàn)證結(jié)果表明，周期性單元流道模型可以用來計(jì)算縱流殼程換熱器的殼程特性，并且具有較高的精度與準(zhǔn)確性.

1.3 研究結(jié)構(gòu)殼程計(jì)算模型

建立帶狀支撐縱流殼程換熱器的殼程周期性單元流道模型如圖2(a)所示，為與傳統(tǒng)桿式支撐殼程特性相對比，建立相應(yīng)桿式支撐殼程模型如圖2(b).模型中，換熱管外徑為25 mm，排列方式為正方形布管，中心距32 mm.

檢查節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)格質(zhì)量后，在FLUENT中選用離散求解器和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，打開能量方程，并在邊界條件中作如下設(shè)置:設(shè)置介質(zhì)為水，將管壁溫度設(shè)置為400 K，將介質(zhì)的入口溫度設(shè)置為307 K，邊界條件中壁面為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面，周期性條件中設(shè)置單元流道內(nèi)的流量，壓力速度的耦合采用SIMPLE算法，動(dòng)量和能量離散方程求解均采用二階迎風(fēng)格式.

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 流體流動(dòng)與傳熱分析

支撐間距Lb為750 mm，單元流道內(nèi)的流體的當(dāng)量Re數(shù)為20 000時(shí)的相交交叉帶狀支撐結(jié)構(gòu)中，周期性單元模型中間橫截面上的支撐結(jié)構(gòu)附近速度矢量圖如圖3所示.

圖3 中間橫截面的速度矢量圖Fig.3 Velocity vectors on middle cross section

從圖3中看出，經(jīng)過支撐板以后，在橫截面上速度分布沿z軸有很大程度混合，但流道中心處的流速總的來說較周邊低.在同一個(gè)橫截面上從模型周邊到中心處，也存在一個(gè)壓力梯度.流體經(jīng)過支撐板時(shí)，隨流通面積的突然減小，流體以高速流出，在壁面出存在回流現(xiàn)象.由于回流和漩渦的存在，高速流體區(qū)域逐漸向流道中心發(fā)展，并逐漸達(dá)到均勻，碰到下一個(gè)支撐板，開始新的一輪變化，如此周而復(fù)始.

流體在經(jīng)過周期性單元流道周期模型一個(gè)周期段過程中的溫度變化如圖4所示.支撐部件的管間區(qū)域，由于流速較高，傳熱速度較快;經(jīng)過支撐板之后，由于回流的作用加速了管壁附近流體和該區(qū)域流體的混合，也帶動(dòng)了后方高溫流體的回流，該部分流體溫度升高較快.隨著流動(dòng)傳熱的繼續(xù)發(fā)展，傳熱速度下降，各橫截面上的溫度分布逐漸趨于均勻，直至接近下一個(gè)支撐結(jié)構(gòu).整個(gè)流道內(nèi)的流體溫度沿z方向逐漸升高.

圖4 沿z方向不同截面的溫度分布云圖Fig.4 Temperature contours on sections along z axis

2.2 不同工況下的熱力分析

在同樣的質(zhì)量流量下，隨著支撐間距的增大，壓降減小，傳熱系數(shù)降低，壓降隨支承的增大下降的幅度很大，而傳熱系數(shù)的下降較緩.在當(dāng)量Re數(shù)為15 000時(shí)的壓降和傳熱效果隨支撐間距變化見圖5.且在同樣的支撐板間距下，隨著質(zhì)量流量的增大，傳熱系數(shù)增大，壓降增大，在相同支撐間距下傳熱效果和壓降均隨流體質(zhì)量流量的增大而增大.

圖5 壓降和傳熱效果隨支撐間距變化圖Fig.5 Heat transfer coefficient and pressure gradient changes with baffle pitch

在同樣的支撐板間距下，兩種殼程支撐結(jié)構(gòu)方式導(dǎo)致了不同的傳熱效果和壓降大小.在相同支撐間距不同支撐結(jié)構(gòu)方式下傳熱效果和壓降隨流體質(zhì)量流量變化見圖6和7.由圖可知，在相同條件下，相交交叉帶狀支撐結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較大，同時(shí)壓降也較大.

2.3 綜合性能分析

實(shí)驗(yàn)和理論研究中發(fā)現(xiàn)管內(nèi)對流換熱的強(qiáng)化往往以阻力的增加為代價(jià)，因此有必要對管內(nèi)強(qiáng)化對流方式下的傳熱和流動(dòng)阻力的綜合熱力性能進(jìn)行評(píng)價(jià).

Webb提出強(qiáng)化流道與光滑直管的直觀、明確的評(píng)價(jià)指標(biāo)［7-8］，即①相同換熱面積和泵功條件下，強(qiáng)化流道與光管的換熱量之比;②相同換熱面積和換熱量條件下，強(qiáng)化流道與光管所耗的泵功之比;③相同泵功和換熱量條件下，強(qiáng)化流道與光管所需的換熱面積之比.在此，對本文所有簡化模型選擇單位面積、單位泵功上的傳熱量作為熱力性能評(píng)價(jià)的衡量指標(biāo).

流體流過換熱段所需泵功為

式中:A，Δp分別為計(jì)算模型中換熱管截面積和換熱段壓降.

以交叉帶狀支撐結(jié)構(gòu)為對比基準(zhǔn)，在數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果下不同結(jié)構(gòu)方式支撐下的熱力性能如圖8所示.在筆者研究雷諾數(shù)范圍內(nèi)，在Re數(shù)小于15 000時(shí)，熱力性能降低幅度較大，Re數(shù)大于15 000時(shí)熱力性能降低趨勢趨于平緩.

相同條件下，單位面積、單位泵功的傳熱量錯(cuò)開交叉折流桿最高，這表明:在本論文研究范圍內(nèi)，兩種支撐結(jié)構(gòu)在兩種放置形式下，錯(cuò)開折流桿具有較好的綜合性能.

3 結(jié)論

(1)在同樣流速及支撐間距下，傳熱系數(shù)最大的是相交交叉帶狀支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)壓降最大的也是相交交叉帶狀支撐結(jié)構(gòu).流體通過相交交叉帶狀支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，沿?fù)Q熱壁面形成高速流，流速較其它結(jié)構(gòu)大，形成較強(qiáng)的湍流效果，增大了傳熱效果，同時(shí)也帶來了很大的壓力損失.

圖8 不同支撐結(jié)構(gòu)單位面積單位泵功上的傳熱量對比Fig.8 Compare of heat transfer quantity per area and pump power for different structure

(2)相交交叉桿式支撐只在折流桿相交的區(qū)域形成高速流，對換熱面的直接影響相對較小，換熱面附近的低速流雖有漩渦，但強(qiáng)度較小，因此換熱面的對流換熱效果不如錯(cuò)開桿式支撐.

(3)桿式支撐的殼程空隙率大，支撐結(jié)構(gòu)下的流體流動(dòng)壓力降要比帶狀支撐結(jié)構(gòu)小的多，通過桿式支撐的擾流作用，流體形成了較大的湍流度，而且其衰減速度較慢，因此綜合熱力性能優(yōu)于帶狀支撐.

［1］SUN Hai-yang，QIAN Cai-fu.Study of the heat transfer and flow resistance of large and small hole(LASH)baffle heat exchanger［J］.Applied Thermal Engineering，2013，54:536-540.

［2］董其伍，劉敏珊.縱流殼程換熱器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］ZHANG Jian-fei，LI Bin，HUANG Wen-jiang，et al.Experimental performance comparison of shell-side heat transfer for shell-and-heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles［J］.Chemical Engineering Science.2009，64:1643-1653.

［4］KAKA? S，LIU H T.Heat exchangers:Selection，rating and thermaldesign［M］.Florida: CRC Press，2012.

［5］GENTRY C C.RODbaffle heat exchanger technology［J］.Chemical Engineering Process.1990，86(7):48-57.

［6］DONG Qi-wu，WANG Yong-qing，LIU Min-shan.Numerical and experimental investigation of shellside characteristics for RODbaffle heat exchanger［J］.Applied thermal engineering.2008，28:651-660.

［7］吳慧英，程惠爾，周強(qiáng)泰.基于Webb指標(biāo)的管內(nèi)強(qiáng)化對流換熱力性能的計(jì)算及應(yīng)用［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).1999，33(3):377-379.

［8］WEBB R L.Principles of Enhanced Heat Transfe［M］.New York:Wiley＆ Sons，1994.