三葉孔板換熱器熱力性能及其影響因素分析

朱凌云，楊錦春，周幗彥，譚祥輝，郭震，朱輝，郎紅方，朱冬生

（1 華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237；2 深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，

廣東 深圳 518031）

管殼式換熱器憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、適用范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在化工、煉油、電站等行業(yè)。傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器有殼程壓降大，存在流動(dòng)“死區(qū)”，易產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)等缺點(diǎn)[1-3]。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，許多新型換熱器應(yīng)運(yùn)而生并有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)弓形折流板換熱器。三葉孔板換熱器作為一種新型異形孔板換熱器，流體在其殼程呈縱向流動(dòng)，因而具有傳熱效率高、流動(dòng)“死區(qū)”少、抗振性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在核電等行業(yè)。

目前，采用數(shù)值模擬方法對(duì)換熱器傳熱性能進(jìn)行研究時(shí)，主要包含兩種模型：整體模型和局部模型。采用整體模型進(jìn)行數(shù)值模擬可以得到較為準(zhǔn)確的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)信息，但一方面其模型建立相對(duì)復(fù)雜，另一方面整體模型的求解對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。局部模型又分周期性全截面模型和“單元流道”模型。周期性全截面模型既能保證計(jì)算精度又可以提高計(jì)算效率，其運(yùn)用在諸多換熱器數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到證實(shí)[4-8]。文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果表明，三葉孔板換熱器殼程流體流過(guò)第一塊支撐板后，已達(dá)到充分發(fā)展，后面的流動(dòng)及傳熱隨著殼程結(jié)構(gòu)的周期性而呈現(xiàn)周期性變化。

為了提高計(jì)算效率，本文在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，建立了三葉孔換熱器殼程流體流動(dòng)的周期性全截面模型，采用商業(yè)軟件Fluent14.0，對(duì)8 種結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的三葉孔換熱器殼程傳熱性能進(jìn)行數(shù)值研究，進(jìn)一步分析支撐板間距Lb、開(kāi)孔高度H 以及導(dǎo)流筒形式等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三葉孔板換熱器熱力性能的 影響。

1 三葉孔板換熱周期性模型

運(yùn)用周期性全截面模型對(duì)三葉孔板換熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算前，先作如下假設(shè)：①殼程流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；②忽略換熱管與支撐板以及支撐板與殼體之間的流體漏流；③換熱管壁為恒定溫度；④殼體與外界環(huán)境絕熱。

1.1 物理模型

為了減小進(jìn)出口對(duì)流動(dòng)和換熱的影響，選取了包含2 塊支撐板在內(nèi)的幾何模型。考慮到結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，數(shù)值模擬中取一半作為計(jì)算模型，三葉孔板換熱器殼程周期性全截面模型如圖1 所示。

選取不同支撐板間距、不同三葉孔孔高和不同導(dǎo)流筒形式的模型分別進(jìn)行數(shù)值研究，換熱器模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中模型1-1、模型1-2、模型1-3、模型1-4 具有相同三葉孔孔高、不同的支撐板間距； 模型1-2、模型2-2、模型3-2、模型4-2 具有相同的支撐板間距、不同的孔高；模型1-2 和模型0 分別為六邊形和圓形導(dǎo)流筒。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及幾何尺寸見(jiàn)表1。

圖1 三葉孔板換熱器殼程周期性全截面模型

圖2 不同結(jié)構(gòu)的換熱器模型

1.2 控制方程和邊界條件

三葉孔板換熱器殼程內(nèi)流體為單相連續(xù)不可壓縮流體，在不考慮體積力的情況下，應(yīng)滿(mǎn)足如式（1）通用控制方程[10]。

式中，Гφ和Sφ分別為廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。當(dāng)φ取1，U、T 和k、ε 等不同變量時(shí)，方程分別代表了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和湍流模型方程。

進(jìn)出口采用周期性邊界條件。對(duì)于周期性充分發(fā)展的流動(dòng)和傳熱，其速度和壓力具有以下特點(diǎn)，見(jiàn)式（2）～式（5）[10-12]。

對(duì)于換熱管為恒定溫度，流體流動(dòng)充分發(fā)展后流體的量綱為1 溫度為式（6）。

式中，Θ 為量綱為1 溫度，遵循周期性邊界條件 Θ( r ,0 ) =Θ( r ,s )； s 為 周 期 長(zhǎng) 度 ；

選取水作為殼程流體介質(zhì)，入口溫度為283K，其物性參數(shù)由piecewise-linear[13]分段線(xiàn)性插值給出。殼體壁面、支撐板面均設(shè)為絕熱面，換熱管壁面采用恒壁溫邊界條件，溫度為T(mén)w=307K。

1.3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值方法

充分考慮支撐板處流體流動(dòng)的復(fù)雜性，將周期性全截面模型分成遠(yuǎn)離支撐板區(qū)域和支撐板附近區(qū)域兩塊，采用ANSYS Workbench 的Meshing 進(jìn)行分塊劃分處理。在遠(yuǎn)離支撐板的幾何區(qū)域，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；在支撐板附近區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，并加密處理，具體網(wǎng)格劃分情況如圖3 所示，其中圖3(a)為殼程中間橫截面上網(wǎng)格，圖3(b)為支撐板附近縱截面上網(wǎng)格。

圖3 周期性全截面模型網(wǎng)格劃分

表1 不同模型的幾何參數(shù)

采用基于有限體積法的Fluent14.0 對(duì)各模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其中，壓力與速度采用SIMPLE 耦合算法，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散[14]，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式[15]。連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k 方程和ε方程收斂殘差均為10-6，能量方程的收斂殘差設(shè)置為10-8。

為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。以殼程流量為15.6kg/s 的模型1-2 為例，采用5 種不同數(shù)量（3.01×106、3.88×106、4.47×106、5.23×106、6.00×106）的網(wǎng)格模型對(duì)其殼程傳熱系數(shù)h 和壓降Δp 進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn)，最后3 套網(wǎng)格計(jì)算出的傳熱系數(shù)h 和壓降Δp 分別為9561.7W/(m2·K)，55.9kPa；9612.3W/(m2·K)，55.5kPa；9638.6W/(m2·K)，55.3kPa，結(jié)果相差均在2%以?xún)?nèi)。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，選用單元數(shù)為4.47×106網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算分析。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)計(jì)算出來(lái)的殼程傳熱系數(shù)及壓降

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 支撐板間距對(duì)傳熱及壓降影響

在三葉孔高相等的情況下，殼程傳熱系數(shù)和壓力梯度隨支撐板間距的變化關(guān)系如圖5 所示。

由圖5 可以看出，在相同殼程質(zhì)量流量下，殼程傳熱系數(shù)和壓降都隨著支撐板間距的增大而逐漸減小，且減小速度逐漸變慢。以殼程質(zhì)量流量為30.6kg/s 為例，支撐板間距從300mm 增大到400mm時(shí)，傳熱系數(shù)減小12.3%，壓力梯度減小21.4%；從400mm 增大到500mm 時(shí)，傳熱系數(shù)減小10.9%，壓力梯度減小23.3%；從500mm 增大到608mm 時(shí)，傳熱系數(shù)減小6.2%，壓力梯度減小16.7%。當(dāng)殼程質(zhì)量流量為6.2kg/s 時(shí)，支撐板間距從300mm 增大 到400mm 時(shí)，傳熱系數(shù)減小12.8%，壓力梯度減小22.5%；從400mm 增大到500mm 時(shí)，傳熱系數(shù)減小6.1%，壓力梯度減小19.6%；從500mm 增大到608mm 時(shí)，傳熱系數(shù)減小7.8%，壓力梯度減小18.4%。由此可見(jiàn)，隨著流量逐漸增大，殼程傳熱系數(shù)和壓降都隨著支撐板間距的遞減速度增加；支撐板間距對(duì)壓降的影響大于其對(duì)傳熱的影響。

圖5 支撐板間距對(duì)傳熱及壓降的影響

2.2 三葉孔孔高對(duì)傳熱及壓降影響

在相同支撐板間距的情況下，對(duì)不同三葉孔孔高模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，隨著三葉孔孔高的增大，殼程流體傳熱系數(shù)及壓力梯度都逐漸減小。這是由于在殼程流量不變的情況下，較小的開(kāi)孔高度有利于提高流體流過(guò)三葉孔時(shí)的射流流速，可以更好地沖刷換熱管壁，減薄流動(dòng)邊界層，從而加強(qiáng)了局部區(qū)域內(nèi)流體的換熱。然而，較小的開(kāi)孔高度對(duì)流體流動(dòng)阻力也相應(yīng)增大，流體流過(guò)支撐板的局部動(dòng)量損失也增大。從圖6 還可以看出，三葉孔孔高對(duì)殼程壓降的影響大于其對(duì)傳熱的影響。當(dāng)殼程質(zhì)量流量為30.6kg/s 時(shí)，開(kāi)孔高度從1.8mm 增大到3.3mm 時(shí)傳熱系數(shù)減小了20.4%，壓力梯度減小了66.9%；而殼程質(zhì)量流量為6.2kg/s時(shí)，相應(yīng)的傳熱系數(shù)減小了20.6%，壓力梯度減小了67.4%。因此，在滿(mǎn)足傳熱的條件下，可以適當(dāng)增加三葉孔的開(kāi)孔高度，以減少泵的功耗。由于開(kāi)孔高度受限于換熱管間距（圖2），考慮本文換熱管間距為19mm，文中開(kāi)孔高度最大取為3.3mm。

圖6 三葉孔孔高對(duì)傳熱及壓降的影響

2.3 導(dǎo)流筒形式的影響

在三葉孔板間距以及開(kāi)孔高度相同的情況下，不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流筒對(duì)傳熱及壓降性能影響也很大。為了研究不同導(dǎo)流筒換熱器傳熱及壓降性能的差異，選取了兩種不同模型進(jìn)行對(duì)比。模型1-2 為六邊形導(dǎo)流筒，模型0 為圓形導(dǎo)流筒，具體尺寸詳見(jiàn)表1。圖7 為兩種模型殼程傳熱系數(shù)與壓力梯度隨質(zhì)量流量的變化關(guān)系。從圖7 中可以看出：支撐板間距及開(kāi)孔高度都相同的情況下，六邊形導(dǎo)流筒換熱器殼程傳熱系數(shù)比圓形導(dǎo)流筒的約大7%，同時(shí)壓降約大4%。

圖8 所示為兩種不同導(dǎo)流筒殼程x=8mm 縱截面上流場(chǎng)分布?？梢钥闯觯瑘A形導(dǎo)流筒換熱器支撐板尾部流動(dòng)“死區(qū)”比六邊形的范圍大，使殼程有效流道減小，因此換熱性能比六邊形導(dǎo)流筒差。

2.4 綜合性能分析

圖9 為殼程傳熱系數(shù)隨壓力梯度的變化關(guān)系，從圖中可以看出，在相同的壓力梯度下，模型4-2 的傳熱系數(shù)最大，模型2-2 的傳熱系數(shù)最小。

圖7 導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)對(duì)換熱及壓降的影響

為了比較不同支撐板間距、不同開(kāi)孔高度和不同導(dǎo)流筒形式的三葉孔板換熱器殼程傳熱性能，綜合考慮傳熱和壓降的影響，定義綜合性能指標(biāo)η 為單位壓力梯度下的傳熱系數(shù)由定義可知，η 值越大，綜合性能越好。

圖10所示為8種不同結(jié)構(gòu)換熱器綜合性能指標(biāo)與殼程質(zhì)量流量的變化關(guān)系。由圖10 可知，隨著殼程質(zhì)量流量的增加，不同結(jié)構(gòu)換熱器的η 值均減小。在相同殼程質(zhì)量流量下，模型4-2 的η 值最大，綜合性能最好，模型2-2 的η 值最小，綜合性能最差。因此，在殼程質(zhì)量流量較小的工程應(yīng)用中，可設(shè)計(jì)較大的開(kāi)孔高度以獲取較好的綜合性能，而支撐板間距的選取，則需要結(jié)合開(kāi)孔高度進(jìn)行綜合評(píng)估。

3 結(jié) 論

本文建立了三葉孔板換熱器殼程流體流動(dòng)和傳熱的周期性全截面模型，并運(yùn)用該模型對(duì)8 種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三葉孔板換熱器進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了支撐板間距、開(kāi)孔高度以及導(dǎo)流筒形式對(duì)其殼程流動(dòng)及傳熱性能的影響，初步得出以下結(jié)論。

圖8 兩種導(dǎo)流筒殼程x=8mm 縱截面上流場(chǎng)分布

圖9 傳熱系數(shù)隨壓力梯度的變化關(guān)系

圖10 綜合性能隨殼程流量的變化關(guān)系

（1）在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，三葉孔板換熱器殼程傳熱系數(shù)與壓力梯度隨著支撐板間距（或開(kāi)孔高度）的增加而減??；支撐板間距（或開(kāi)孔高度）對(duì)三葉孔板換熱器殼程壓降的影響大于其對(duì)傳熱的影響。

（2）六邊形結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流筒換熱器殼程流體流動(dòng)“死區(qū)”比圓形導(dǎo)流筒換熱器小，流體流動(dòng)分布更均勻，因此前者傳熱性能比后者好。

（3）在本文研究的8 種不同結(jié)構(gòu)的換熱器中，模型4-2（支撐板間距為 400mm，開(kāi)孔高度為3.3mm）綜合性能最好，模型2-2（支撐板間距為400mm，開(kāi)孔高度為1.8mm）最差。因此，在殼程流量較小的工況下，對(duì)支撐板結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，可選取較大開(kāi)孔高度，并結(jié)合開(kāi)孔高度選擇合適的支撐板間距，以獲取綜合性能較好的換熱器設(shè)計(jì) 方案。

符 號(hào) 說(shuō) 明

H——開(kāi)孔高度，mm

h——?dú)こ虃鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

L——計(jì)算模型長(zhǎng)度，m

Lb——支撐板間距，m

M——?dú)こ塘髁?，kg/s

p——?dú)こ塘黧w壓力，kPa

Δp——?dú)こ塘黧w壓降，kPa

s——周期長(zhǎng)度，mm

T——流體溫度，K

Tw——管壁溫度，K

U——?dú)こ塘黧w和速度，m/s

u——?dú)こ塘魉僭趚 軸上的分量，m/s

v——?dú)こ塘魉僭趛 軸上的分量，m/s

w——?dú)こ塘魉僭趜 軸上的分量，m/s

Θ——量綱為1 溫度

η——綜合性能指標(biāo)

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