變螺距搭接螺旋折流板換熱器綜合性能

杜婷婷，車凱，王丹華，程林

（山東大學熱科學與工程研究中心，山東 濟南250061）

引 言

螺旋折流板換熱器較弓形折流板換熱器具有沿程壓降小，綜合性能高，受熱均勻，以及防腐和少積垢等優勢，被石油、化工、核能等行業廣泛應用［1－3］。目前，流動傳熱特性和結構優化一直是螺旋折流板換熱器研究的兩大熱點。在基本性能研究中，王秋旺等［4］發現殼程阻力和傳熱系數均隨螺旋角增大而減小，與弓形折流板換熱器相比，其單位壓降下的傳熱系數更高。徐百平等［5］借助FLUENT軟件得到了四分螺旋折流板換熱器殼程速度和溫度的分布圖。黃闊等［6］分析實驗結果表明殼側局部傳熱膜系數與點速度沿換熱器的徑向距離增大而增大，且局部傳熱膜系數的變化規律與相應點速度變化規律一致。在結構設計上，折流板搭接形成的三角漏流區是優化的重點。曹興等［7－9］對四分折流板的搭接方式和搭接量進行研究得出，交錯搭接較連續搭接可減小三角區漏流面積，隨著搭接量的增大，折流板背風側流動狀況改善，使整體流動分布更均勻。同時，他們提出的六分扇形折流板換熱器可有效減小殼側三角區漏流情況，提高綜合性能。王良等［10］通過給三角區加阻流板減小漏流對換熱器整體性能的影響，發現小螺旋角換熱器中添加阻流板不能有效提升綜合性能，反而使殼程壓降顯著增大。孫海濤等［11］設計了周向重疊三分螺旋折流板換熱器結構，可有效抑制三角區內的一排管束因上下游通道壓差引起的逆向泄漏。文鍵等［12］采用折面板代替平面折流板，封閉了三角形豁口，使綜合性能得到了較好的優化。

本文采用ANSYS CFX軟件分析了常用四分搭接螺旋折流板換熱器殼程局部流動和傳熱性能，改變現有對三角漏流區優化設計中的 “堵漏”方式，采用 “疏導”的理念進行了重新設計，提出了變螺距搭接螺旋折流板換熱器，并進行了相關的數值模擬。

1 螺旋折流板換熱器的數值模擬

1.1 物理模型

以四分扇形螺旋折流板換熱器為模型，將物理模型分為4類，如圖1所示。（a）是等螺距螺旋折流板換熱器；（b）是以等分法為原理設計的變螺距螺旋折流板換熱器；（c）是以黃金分割法為原理的小螺旋角占優變螺距螺旋折流板換熱器；（d）是以黃金分割法為原理的大螺旋角占優變螺距螺旋折流板換熱器。4類換熱器的幾何參數如表1所示。

1.2 控制方程與湍流模型

湍流對流換熱的主要物理量可用通用形式的控制方程表示

當通用變量φ變化時，廣義擴散系數Γφ和廣義源項Sφ對應不同值，通用形式則可分別表示為連續性方程、動量方程、能量方程和k－ε方程［13］。

圖1 搭接式螺旋折流板換熱器物理模型Fig.1 Physical models of computational domain

表1 換熱器幾何參數Table 1 Geometric parameters of heat exchangers

選用RNGk－ε湍流模型模擬，其應變率和對較大彎曲程度流線的計算精度可滿足螺旋折流板換熱器復雜的殼側湍流。

1.3 基本假設和邊界條件

殼程工質選用水和導熱油兩種介質，穩態湍流，水的物性參數在模擬溫度范圍內變化不大，可視為常物性。導熱油的物性參數隨溫度變化。假設折流板表面和殼體內壁為絕熱，忽略熱浮升力和重力的影響。入口邊界條件為質量流量，溫度313.15K；流體自由流出，相對壓力0Pa；換熱管壁面恒壁溫353.15K。

1.4 網格獨立性及模擬方法驗證

采用正四面體和金字塔式非結構化網格劃分，開啟自適應網格加密功能，對模型進行三次細化和粗化迭代。綜合時間因素，最終選定換熱管長為1600mm的等螺距換熱器網格數為9.8×106，換熱管長為1900mm的其他類型換熱器網格數為16.5×106。

選用文獻 ［14］中的螺旋角為10°無阻流板螺旋折流板換熱器進行數值模擬，并對照實驗值，得到殼程壓降偏差為14.7%～21.5%，殼程表面傳熱系數偏差9.0%～14.8%，如圖2和圖3所示。偏差在合理范圍內，證明該數值模擬方法的可行性。造成偏差的原因有數值模擬中忽略了折流板與殼體和管束間的漏流影響，同時對邊界條件進行了簡化，忽略了換熱管壁厚及熱阻等影響，導致模擬值高于實驗值。

圖2 實驗與數值模擬的殼側壓降對比值Fig.2 Pressure drop in shell side comparisons between experimental and simulation results

2 等螺距螺旋折流板換熱器局部特性分析

以水作為殼程介質，取換熱管長度1600mm，螺旋角β＝20°、25°、30°、35°、40°、45°的等螺距螺旋折流板換熱器為研究對象，考慮四分折流板換熱器的對稱性，指定一個扇面區域，分析殼側局部傳熱和流動特性。為方便研究，將區域內換熱管標記如圖4。

圖3 實驗與數值模擬的表面傳熱系數對比值Fig.3 Convective heat transfer coefficient in shell side comparisons between experimental and simulation results

圖4 管束標注Fig.4 Tube bundle marks

2.1 殼程局部傳熱特性分析

圖5 不同位置換熱管表面傳熱系數隨Re變化 （β＝25°）Fig.5 Convective heat transfer coefficient versus Re of tubes in different location （β＝25°）

當β＝25°時，分別測得各標定布管的表面傳熱系數隨Reynlds數Re變化規律，如圖5。管束表面傳熱系數均隨Re的增大而增大，說明質量流量增加時，湍流增強，換熱管表面對流換熱不均勻性凸顯。不同位置的換熱管傳熱性能不同。位于殼體中心軸線附近的A、B、E、F、P、I管因受三角區漏流、螺旋流分流、折流板片邊緣干擾等多因素影響，表面傳熱系數相對較大。綜合螺旋流的流動方向和折流板直邊繞流的影響，換熱管C、N、Q的對流換熱效果居次。沿折流板圓弧外緣布管H、K、M換熱較差。這是因為該處換熱管距殼體中心最遠，螺旋流從折流板的直角邊一側進入沖刷叉排管束，在沿程阻力作用下，當流體流至折流板圓弧外緣時，擾流速度和擾動程度均有很大程度下降，從而導致管束表面傳熱系數較小。

為更充分驗證扇形折流板區域各位置對流換熱程度，本文選取β＝20°、25°、30°、35°、40°、45°進行了對比。在Re≈7000時不同換熱管表面傳熱系數分布如圖6所示。

圖6 不同位置換熱管表面傳熱系數隨螺旋角的變化 （Re≈7000）Fig.6 Convective heat transfer coefficient versus helix angels of tubes in different location （Re≈7000）

隨著螺旋折流板換熱器螺旋角的增大，各布管表面傳熱系數呈增大趨勢。β＝20°時的換熱管表面傳熱系數較其他螺旋角出現不同程度的波動，變化趨勢略有不同，這是由于小螺旋角下的湍流度更大，擾動更劇烈，流場的不均性導致不同位置換熱管傳熱性能略有差別。螺旋角大于25°的換熱器各位置布管的傳熱性能走勢與25°時的基本一致，反映出扇形區域內各管換熱的共同性。通過數據對比發現，在相同Re下，換熱管E較換熱管K的表面傳熱系數高42.19%～87.60%，最大差距出現在β＝25°，隨著螺旋角增大，兩管換熱效果差距縮小，由此看出，三角漏流區對管束換熱的影響不可忽略。布管L、D、H、M、K的表面傳熱系數相差較小，走勢相近，表明其處于典型螺旋流區域，流動穩定性和傳熱均勻性較優。

2.2 殼程局部流動特性分析

當β＝25°時，各標定換熱管的繞流平均速度隨Reynolds數Re變化規律如圖7所示。不同位置換熱管的繞流平均速度大小與表面傳熱系數分布大致吻合。流速高的換熱管換熱效果好，反之亦然。隨著Re增大，繞流增強，速度也隨之增大，但幅度不一。其中，換熱管E的速度增幅最大，說明三角漏流區導致周圍流體的湍流程度增大。換熱管A、B、P和換熱管I、F兩組管束速度曲線吻合度較好，換熱管C、N、Q、J、G以及換熱管R、D、L、H、M、K兩組管束平均速度曲線接近且趨勢一致，可以看出換熱管所在4個區域流場均勻性較好，湍流程度相當。以換熱管E為中心，以上4個區域沿徑向呈弧狀包裹式分布，速度大小沿半徑向外呈遞減趨勢。

圖7 不同位置換熱管繞流平均速度隨Re的變化 （β＝25°）Fig.7 Average velocity versus Re of tubes in different location （β＝25°）

同樣選取β＝20°、25°、30°、35°、40°、45°進行綜合分析。在Re≈7000時不同換熱管繞流平均速度分布如圖8所示。由圖中看出，繞流平均流速高的換熱管對流換熱系數相應較高。不同螺旋角下的換熱管繞流平均速度也大致分為4組，其中換熱管E的速度分布均高于其他各管；其次A、B、P及I、F兩組管束流速分布趨勢一致，差距較小；其余各管平均流速大小均相近，走勢圖也相似，與β＝25°的分布趨于一致。

由此可見，新時期以素質教育為背景的閱讀教育理念、教學方式和重點都面臨著重大變革，而它們的調整與轉變是以理順我國教育體制、機制，教育目標徹底轉向培養合格公民為前提的。

圖8 不同位置換熱管繞流平均速度隨螺旋角的變化 （Re≈7000）Fig.8 Average velocity versus helix angels of tubes in different location （Re≈7000）

從傳熱和流動特性兩方面分析，三角區漏流對換熱器整體性能影響嚴重。處于三角漏流區的管E成為強化換熱和流動的核心，導致螺旋流產生受阻，流體分離，形成分別經三角區和螺旋流動區的兩股流體，使螺旋折流板換熱器的功效大打折扣。

3 變螺距螺旋折流板換熱器綜合性能分析

為解決三角區漏流帶來的影響，同時改變原有以“堵漏”為設計理念的折流板加工制造和安裝的困難，本文根據不同螺旋角換熱器中三角區漏流狀況不同這一現象，設計提出了變螺距搭接螺旋折流板換熱器，利用折流板角度的組合變化，減小三角區漏流對換熱器綜合性能的影響，達到 “疏導”的目的。

本文采用等分法和黃金分割法設計了3種類型的換熱器，分別為：總螺距跨度相近的變螺距螺旋折流板換熱器 （以下簡稱b型換熱器）；以黃金分割法為原理的小螺旋角折流板總螺距跨度占優的變螺距螺旋折流板換熱器 （以下簡稱c型換熱器）；以黃金分割法為原理的大螺旋角折流板總螺距跨度占優的變螺距螺旋折流板換熱器 （以下簡稱d型換熱器）。取常用螺旋角度進行搭配，提出了A20B30、A20B40、 A20B50、 A25B30、 A25B40、 A25B50、A30B40、A30B50、A40B50共計9種組合方案。利用數值模擬方法，對上述3大類9種模型分別進行高黏度流體和低黏度流體下的殼側性能測試與分析。

3.1 不同工質下變螺距螺旋折流板換熱器綜合性能分析

變螺距換熱器模型在不同工質下的綜合性能如圖9所示。從圖中看出，3種類型換熱器的綜合性能在同一工質下走勢相同。同一類型換熱器中，各模型具有相近的性能。不同工質下，換熱器綜合性能變化趨勢相似，高黏度流體下換熱器的綜合性能較低黏度流體下差。

圖9 不同工質下3種變螺距換熱器綜合性能Fig.9 Comprehensive performance of 3types of variable－pitch heat exchangers with different working medium

以水為工質時，各類型換熱器中綜合性能最優的模型分別為：A20B40（b型換熱器）、A20B50（c型換熱器）、A30B50（d型換熱器）。以導熱油為工質時，各類型換熱器中綜合性能最優的模型分別為：A20B40（b型換熱器）、A20B50（c型換熱器）、A30B50（d型換熱器）。分析可知，工質黏度對換熱器綜合性能的優劣程度影響不大。

3.2 不同類型變螺距螺旋折流板換熱器綜合性能分析

圖10、圖11給出了兩種工質下，相同螺旋角組合時不同類型變螺距螺旋折流板換熱器綜合性能分析。3種類型換熱器的綜合性能均隨殼程流量的增大而減小，走勢趨于一致。當殼程流量較小時，不同類型換熱器的綜合性能差異較大，可體現工質黏度對綜合性能優劣的影響。隨流量增大，這種影響減小。相同螺旋角搭配下的3種類型換熱器綜合性能不同，說明螺旋角與周期數量之間有一定的關系。以水為介質，模型A20B50在c型換熱器中的綜合性能要好于b和d型換熱器，相對其他模型優勢明顯。

3.3 變螺距換熱器與等螺距換熱器綜合性能比較與分析

將3種類型的變螺距模型與相應的等螺距模型進行對比分析，在保持換熱管長度和數值模擬邊界條件不變的基礎上，最大限度設計等螺距換熱器的螺旋周期，得到各模型的綜合性能對比圖。

圖10 工質為水的各模型綜合性能Fig.10 Comprehensive performance of different models with H2O as working medium

圖11 工質為導熱油的各模型綜合性能Fig.11 Comprehensive performance of different models with conduction oil as working medium

圖12 b型變螺距與等螺距螺旋折流板換熱器的綜合性能Fig.12 Comprehensive performance of type b variable－pitch and constant－pitch helical baffled heat exchangers

圖13為c型換熱器的綜合性能對比。工質黏性的影響與b型換熱器相同。當殼程介質為水時，螺旋角20°的3種組合性能優于等螺距換熱器。其中A20B30的綜合性能高出20°等螺距換熱器3.10%～4.45%，高出30°等螺距換熱器綜合性能3.44%～6.84%。A20B50組合的綜合性能高出20°等螺距換熱器性能6.12%～9.15%，高出50°等螺距換熱器性能12.83%～21.43%。A30B50組合的綜合性能高出30°等螺距換熱器綜合性能2.05%～3.79%，高出50°等螺距換熱器綜合性能8.34%～12.72%。除25°的3種組合外，其余組合性能均與等螺距換熱器相近。

圖14為d型換熱器的綜合性能對比。從圖中看到，3種類型的換熱器具有一定的共同特點。在該類型中，組合A30B50的綜合性能優于等螺距相應換熱器性能，比30°高出9.99%～11.58%，比50°高出16.47%～21.49%。

圖13 c型變螺距與等螺距螺旋折流板換熱器的綜合性能Fig.13 Comprehensive performance of type c variable－pitch and constant－pitch helical baffled heat exchangers

綜合看來，c型換熱器的螺旋角優化組合最多，綜合性能提升明顯，可有效實現對三角區漏流的疏導作用。以等分法搭建的變螺距換熱器綜合性能優勢不顯著。d型變螺距換熱器的優勢介于b、c之間。工質的物性參數對變螺距換熱器的性能產生一定影響，其更適用于黏性較小的流體。變螺距換熱器綜合性能的影響因素較多，主要包括螺旋角組合方式、螺旋周期數和工質物性參數等，具體關系正在研究中，將在后續論文中予以呈現。

圖14 d型變螺距與等螺距螺旋折流板換熱器的綜合性能Fig.14 Comprehensive performance of type d variable－pitch and constant－pitch helical baffled heat exchangers

4 結 論

本文以變螺距搭接螺旋折流板換熱器為研究對象，通過數值分析得到如下結論：

（1）變螺距搭接螺旋折流板換熱器在一定程度上能夠實現優化三角漏流區的目的，某些螺旋角組合方式下的換熱器綜合性能明顯優于相同螺旋角下的等螺距換熱器。

（2）影響變螺距螺旋折流板換熱器綜合性能的因素較多，主要包括螺旋角的組合方式、螺旋周期數以及工質的物性參數。

（3）當變螺距搭接螺旋折流板換熱器的綜合性能與等螺距換熱器相同時，相對于大螺旋角而言，其具有強化殼側傳熱優勢，相對于小螺旋角而言，其具有節省折流板用耗材和便于安裝的特點。

符 號 說 明

h——對流傳熱系數，W·m－2·K－1

M——殼側質量流量，kg·s－1

Δp——殼側壓降，Pa

Re——Reynolds數

V——流速，m·s－1

β——螺旋角，（°）

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