折流圈結構對折流桿換熱器殼程的性能仿真與優化研究

張秀香，胡崇舉，牛曉飛，李 強

宿州學院 1.機械與電子工程學院；2.化學化工學院，安徽宿州,234000

折流桿換熱器相對于傳統折流板換熱器具有抗振能力好，傳熱綜合性能優良等特點[1,2]，廣泛應用在化工、煉油、制藥和其他新能源行業。折流桿換熱器采用折流柵代替折流板，使得流體主流流動由橫向流變成沿著換熱管方向的縱向流動，從而有效地降低了流體誘導振動[3-6]。自20世紀70年代美國菲利普石油公司成功開發出折流桿換熱器以來，國內許多學者對折流桿換熱器進行了大量的研究。在理論方面，董其伍通過實驗的方法分別提出了殼程流動與傳熱的準數關系式[7]；在強化傳熱研究方面，嚴文良對三角形布管方式的波形折流桿進行了工業實驗研究，探討了其傳熱性能和殼程流體阻力特性，并提出了對流傳熱準數關系式[8]。王雙英等采用數值模擬的方法，研究了不同折流桿類型的折流桿換熱器流動與傳熱的影響，得出了在綜合性能上圓桿要優于方桿的結果[9]。王新婷等提出一種新型波形折流桿換熱器，該換熱器結構緊湊，當采用水為介質時，與直桿換熱器對比，綜合性能提升近10%[10]。以上學者對折流桿換熱器的強化傳熱的研究主要集中在對折流桿和開發高效換熱管的研究上，而作為擾流的另一重要結構折流圈的研究較少。本文采用CFD軟件Fluent通過“分段建模、分段分網、分段模擬、最后綜合”[11-13]的數值模擬研究思路對不同殼體直徑，不同折流圈寬度與殼體內徑比的折流桿換熱器進行了仿真研究，得出了最佳折流圈寬度與殼體內徑比，為折流圈的設計提供了一定的指導作用。

1 折流桿換熱器模型建立

本次折流桿換熱器采用全模型的方式，由于本次研究只限于殼程，管程流體忽略，直接在管內壁加載固壁溫度，管箱忽略。折流桿換熱器按照流體縱向流動特性，可以分成布管限定圓內部的縱流，折流圈內徑到外徑的旁流，和折流圈外徑到殼體內徑的間隙流。由于間隙較小，間隙流對殼體流動與傳熱影響較小，忽略間隙流。表1所示為幾何模型主要結構尺寸。

表1 幾何模型主要結構尺寸

(續表)

其中X表示布管限定圓半徑，L表示折流圈寬度。其他參數包括換熱管規格∮12 mm×2 mm，折流柵數目24塊，折流桿直徑∮2 mm，管程為飽和水蒸氣，殼程為水。由于折流桿換熱器結構較復雜，本文將折流桿換熱器分成入口段，六個折流柵段和出口段。以X(41)為例，圖1為不同折流圈寬度折流柵處斷面圖。

圖1 折流柵斷面圖

2 折流桿換熱器計算與仿真

2.1 折流桿換熱器計算模型

由于折流桿換熱器結構復雜，為了盡量將所有結構保留，采取分段建模和分段劃網的方式。圖2為折流桿換熱器的導流筒段和折流柵段網格劃分模型。

圖2 折流桿換熱器網格劃分模型

為簡化計算分別對兩段結構做如下假設：(1)由于管程為高溫飽和水蒸氣，且只關心殼程流動與傳熱，將內管壁溫度設為定值；(2)殼程冷卻水為不可壓縮連續流體，各向同性；(3)忽略重力影響；(4)流體的物性參數ρ、μ、cp、λ等，為了盡量考慮溫度對其的影響，在仿真實驗的溫度范圍內，將其看成為溫度的線性函數，簡化后導流筒段和折流柵段控制方程為：

(1)

運動方程：

x方向: (u·)p+υ2u

(2)

y方向:(v·)p+υ2v

(3)

z方向: (w·)p+υ2w

(4)

能量方程：

(5)

為了提高湍流計算精度，近壁面與遠壁面采取不同湍流控制方程，其中近壁面方程如下：

(6)

(7)

(8)

k=0

遠壁面采用方程如下：

(9)

(10)

(11)

其中取σε=1.3，cε1=1.41～1.45，cε2=1.9～1.92。

2.2 折流桿換熱器邊界條件設定

2.2.1 單獨段內部邊界條件設定

導流筒或折流柵入口采取速度邊界條件，湍流強度采用水力直徑和湍流強度進行衡量，其中湍流強度對于不同Re采用下式計算：

(12)

換熱管內壁采用固壁溫度，設定為373 K；流體與固體交界面采用耦合邊界條件；流體出口采用壓力出口邊界條件，殼體外壁面采用自然對流邊界條件，其對流傳熱系數設為10；管子出口設為絕熱邊界條件。

2.2.2 段與段之間連接邊界條件設定

上下兩段之間的連接采取上一段出口的速度、溫度、湍動能、耗散和比耗散率與下一段折流柵入口相等，保證工藝參數的無縫連接，相互關系如下：

w上段出口=w下段入口v上段出口=v下段入口T上段出口=T下段入口k上段出口=k下段入口

ω上段出口=ω下段入口u上段出口=u下段入口ε上段出口=ε下段入口

3 求解結果分析

3.1 殼程流體流動與傳熱流場分析

圖3為不同折流圈寬度折流柵溫度云圖，分別給出了當入口速度為0.5 m/s時，X(41)L(0)、X(41)L(2)、X(41)L(5)及X(41)L(10)折流柵第一段對稱面溫度云圖。

圖3 折流柵溫度云圖

折流柵溫度云圖可以看出，隨著折流圈寬度的增加，折流圈所在的旁流流路溫度不斷升高。圖3(a)為沒有折流圈的對稱面云圖，其殼體內徑附近溫度基本沒有升高，圖3(b)為折流圈寬度為2 mm，其左右兩端及下方溫度明顯高于圖3(a)的相同位置，可知由于折流圈的擾流使得折流圈附近的旁流流路參與傳熱。圖3(c)和圖3(d)其折流圈寬度分別增大，由圖可以看出，其折流圈附近的高溫區域面積逐漸增大。這是由于折流圈的擾流作用不斷增強使得流體傳熱更加均勻。

圖4為不同折流圈寬度折流柵速度云圖，分別給出了當入口速度為0.5 m/s時，X(41)L(0)、X(41)L(2)、X(41)L(5)及X(41)L(10)折流柵第一段對稱面速度云圖。

圖4 折流柵速度云圖

從速度云圖的流體流動狀態來看，隨著折流圈的寬度不斷增加，流體的混亂度在增加。圖4(a)為無折流圈折流桿換熱器，基本上為平行流動，只在折流桿附近非常小的范圍內有一定的擾流。由此可見折流桿對流體的擾動影響比較小。從圖4(b)可以看出，在折流圈尾部產生了擾流流動，但是影響范圍僅在折流圈附近，絕大部分的旁流流路仍處于平行流。而隨著折流圈的增加，如圖4(c)可以看出，基本整個旁流流路的平行流都被打亂，形成半漩渦流動。當折流圈繼續增加，從圖4(d)可以看出，整個旁流流路不僅僅平行流全部消失，并且完全形成了旋渦流，而在折流桿附近的流體其擾流作用也有所增強。這說明了折流圈的擾流作用不僅僅強度要遠遠大于折流桿，并且影響范圍也要遠遠大于折流桿。

從速度云圖的流體速度分布可以看出，圖4(a)流體流速基本處于平行流，其最大流速約為1 m/s左右，而隨著折流圈寬度增加，流體流速不斷增加。而在圖4(d)中其最大流速發展到約為2.5 m/s左右。這說明折流圈的擾流作用，造成流體的分布極不均勻，從而可以在局部造成大雷諾數的漩渦流。

圖5為不同折流圈寬度折流柵壓力云圖，分別給出了當入口速度為0.5 m/s時，X(41)L(0)、X(41)L(2)、X(41)L(5)及X(41)L(10)折流柵第一段對稱面壓力云圖。

圖5 折流柵壓力云圖

從壓力云圖的整體分布來看，隨著折流圈的寬度增加，總的壓降不斷增加。如圖5(a)當無折流圈時，其壓降約為300 Pa左右。圖5(a)其最大壓降約為500 Pa左右，而圖5(d)壓降最大增加到6 000 Pa。說明了當折流圈的寬度較小時，對壓降的影響和折流桿相差不大，而當折流圈寬度不斷增加時，其對壓降的影響要遠大于折流桿的影響。從單張壓力云圖的內部分布來看，其壓力分布呈現分塊式分布，兩個折流圈內部壓力場基本均勻，而跨越折流圈后壓力會發生跳躍式下降。這說明了折流桿換熱器其壓降損失主要是折流圈和折流桿導致的。而在圖5(c)與圖5(d)內部可以看出已經出現負壓的情況，如圖5(d)所示，其負壓往往發生在折流圈背部，這說明了當折流圈寬度增加到一定范圍時，其背部逐漸形成了旋渦。

3.2 殼程流體流動與傳熱數據分析

為了客觀地衡量折流圈寬度對折流桿換熱器殼程流動與傳熱的影響，對于不同殼徑的折流桿換熱器引入折流圈寬度與殼體內徑之比ζ，其中ζ=L/(L+X)。圖6為Nu-ζ、fe-ζ、Nu/fe-ζ關系圖，分別給出了不同殼徑下，隨著ζ增大，努塞爾數Nu，阻力系數fe及綜合系數Nu/fe的變化情況。

圖6 Nu-ζ，fe-ζ，Nu/fe-ζ關系圖

從圖6(a)可以看出隨著ζ增加，折流桿換熱器Nu不斷增大，說明折流圈的擾流對傳熱起到了強化作用；當ζ<7時，Nu隨著ζ增加較明顯，當ζ>7時，Nu隨著ζ增加較慢，并逐漸趨于平緩。說明當折流圈增加到一定尺寸，其擾流作用對殼程傳熱影響逐漸減小。從不同布管限定圓X來看，Nu隨著ζ的變化趨勢一致，說明美國菲利普公式采用泄流面積與殼程面積比Al/As去衡量折流桿換熱器殼程傳熱性能是正確的，也說明ζ是影響折流桿換熱器殼程流動與傳熱的核心因素。在相同ζ時，布管限定圓X越大，其Nu略微增大。

從圖6(b)可以看出隨著ζ增加，阻力系數fe不斷增大，說明折流圈的擾流在起到強化傳熱的同時也增加了阻力損失；并且隨著ζ不斷增加，其fe增加速度在加大。從不同布管限定圓X來看，fe隨著ζ的變化趨勢一致，在相同ζ時，布管限定圓X越大，其fe略微增大。

從圖6(c)可以看出隨著ζ增加，綜合評定系數Nu/fe先增加后減小，當ζ在5%左右達到最大。當偏離峰值一定距離時，Nu/fe迅速減小。從不同布管限定圓X來看，Nu/fe隨著ζ的變化趨勢一致，但峰值位置略有偏差，最佳推薦值在4%-6%。在相同ζ時，布管限定圓X越大，其Nu/fe略微降低，這是由于當布管限定圓X較大時，其長徑比減小導致折流桿換熱器的效率會略微下降引起的。

表2為對X=38與X=54折流桿換熱器殼程流動與傳熱影響比較，從而定量分析布管限定圓半徑對折流桿換熱器殼程Nu，fe及Nu/fe的影響。

表2 X對折流桿換熱器殼程流動與傳熱影響

從表2可以看出X=54相對于X=38增量為42%，對于不同ζ時，其Nu平均增量約為3%，可認為X每增加10%，其Nu數約增加0.7%。其fe平均增量約為10%，可認為X每增加10%，其fe數約增加2.4%。其Nu/fe平均減量約為6.7%，可認為X每增加10%，其Nu/fe數約減少1.6%。

4 結 論

本文通過對折流桿換熱器在不同折流圈寬度與殼體內徑比下進行流動與傳熱分析，分析出對于不同布管限定圓半徑X的折流桿換熱器隨著ζ的變化，其Nu，fe及Nu/fe的變化趨勢基本一致。在相同ζ下，X每增加10%，其Nu增加0.7%，fe增加2.4%，Nu/fe減少1.6%。

注：X為布管限定圓半徑/mm，L為折流圈寬度/mm，u，v，w為x，y，z方向速度m/s，T為溫度/K，k為流體湍動能/J，ω為流體比耗散率，ε為耗散系數，I為流體湍流強度，ζ為折流圈寬度與殼體內徑之比，Cp為定壓比熱容/J/(kg·K)，λ為導熱系數/W/(m·K)，ρ為流體密度/kg/m，μ為流體動力粘度/N·s/，Nu為努塞爾數，fe為阻力系數。