開孔形狀對大小孔折流板換熱器性能影響的研究

蘆婭妮，周鴻宇，韓明虎，康進科

(隴東學院，甘肅 慶陽 745000)

0 引言

換熱器是化工、醫藥、電力、石油等眾多領域中[1]普遍采用的單元設備之一。傳統的單弓形折流板換熱器因具有結構簡單、制造技術成熟、安全性高、適用性強等優點而受到廣泛應用，但其存在殼程流動阻力損失大、折流板后存在較大的流動死區、傳熱效率低、容易引起流體的誘導振動等缺點。為了改善傳統管殼式換熱器的傳熱狀況，降低能耗損失，對其進行結構優化具有十分重大的意義[2]。

通過對各種不同的支撐部件進行深入研究，人們發現改進折流板結構可以降低換熱器殼程流動阻力、增大殼程換熱系數，從而提高換熱器的綜合換熱能力。謝國雄、喻九陽等[3-5]將單弓形折流板開孔與未開孔進行對比試驗，結果表明在折流板上合理開孔，不僅提高了換熱器殼程換熱效率、降低流體阻力，換熱器的綜合性能指標?/Δp也明顯提高。熊智強等[6]利用計算流體力學技術[7](CFD)對管殼式換熱器弓形折流板附近流場仿真模擬時發現，折流板開孔時傳熱效率比未開孔時提高5.4%,殼程壓降減小7.3%。錢才富等[8]研究了一種新型大小圓孔折流板結構，這種折流板是在整圓形折流板基礎上按一定的順序分布著大小圓孔，小圓孔孔徑與換熱管外徑相同，用于支撐管束，殼程流體流經大圓孔與換熱管之間的間隙，沿著管壁形成環隙貼壁射流，相鄰的折流板大小圓孔排列方式正好相反，這樣對于換熱管束起到了有效的支撐作用[9]。

本文采用CFD軟件，對大小孔折流板換熱器進行3種不同形狀的開孔，對它們的殼程換熱及流動阻力性能進行模擬研究，并揭示了在開孔面積相同時，不同的開孔形狀對換熱器換熱系數和殼程壓降的影響。

1 數學模型的建立

基于不可壓縮的牛頓型流體，在常物性和宏觀熱能守恒的假設下，換熱器殼程流體的流動與傳熱過程遵循以下3個控制方程，考慮到計算速度以及準確度，計算模型選用標準k-ε模型，其流體控制方程為：

1)連續性方程

(1)

2) 動量方程

x方向

(2)

y方向

(3)

z方向

(4)

3)能量方程

(5)

4) 標準k-ε的運輸方程

(6)

(7)

2 三維模型的建立

2.1 幾何模型的建立

管殼式換熱器折流板開孔形狀分別為圓形、正方形和三角形3種。在大孔開孔面積相同的情況下，保持圓形開孔面積不變，正方形和三角形開孔尺寸均發生變化。具體結構參數見表1和表2，大小孔折流板換熱器殼程流體流動模式如圖1，相鄰折流板圓形開孔情況如圖2。換熱器殼程結構相對復雜，為了便于建模和計算，需要對其進行一定的簡化處理：折流板與換熱管以及殼體外壁之間焊接良好；管殼程流體均處于一個標準大氣壓下；殼程流體流動和傳熱過程是穩態并且均勻的；密度、比定壓熱容、熱傳導系數及黏性等為常物性；外殼與外界絕熱，與外界無熱量交換；重力的影響忽略不計；換熱管管壁溫度保持不變。

表1 換熱器幾何參數

表2 大孔結構參數

圖1 大小孔折流板換熱器殼程流體流動模式

圖2 相鄰折流板開孔情況

2.2 網格劃分及邊界條件的設置

根據表1的參數繪制出相應的換熱器幾何模型，兼顧計算機硬件、計算速度以及計算精度的實際情況，選取3mm的網格間距。圖3為開孔結構為圓形的換熱器網格劃分示意圖。

圖3 換熱器網格劃分圖

對所建立的模型進行模擬計算時,為了保證收斂的穩定性選用穩態、基于壓力的隱式求解器進行求解，并且壓力選用標準的離散格式，其他的選用二階迎風離散格式，湍流模型選用標準k-ε模型。在進行流場計算時，采用基于交錯網格的SIMPLE算法對速度及壓力進行耦合處理；近壁面的處理采用標準壁面函數，定義殼體內壁和折流板為無滑移絕熱邊界條件。

殼程流體是理想煙氣，假設物性參數只受溫度的影響，相同溫度下煙氣物性保持不變；進出口的邊界條件設定為速度入口和出口，選用湍流強度和水力直徑相應的設置殼程為入口邊界條件，湍流強度通過式(8)計算。采用二階迎風格式對湍流參數、動量以及能量進行求解。

(8)

式中：I為湍流強度；Re為雷諾數。

2.3 模擬結果分析

1) 開孔形狀對壓力場的影響

換熱器的殼程壓降曲線如圖4所示。在相同的入口流速下，圓形開孔的折流板換熱器壓降損失最大，其次為正方形開孔，三角形開孔壓降最小。當流速較低時，3種開孔壓降變化幾乎相同，隨著入口流速逐漸增大，變化越明顯。

圖4 換熱器的殼程壓降曲線

2) 折流板開孔形狀對溫度場的影響

換熱器的殼程出口溫度曲線如圖5所示。當殼程入口流速為0.1～0.3m/s時，折流板開孔后的換熱器殼程出口溫度相差不大。當入口流速較高時，開孔后的折流板換熱器出口溫度均有所降低；圓形開孔換熱器殼程流體出口溫度最低，正方形開孔換熱器比三角形開孔的要低，比圓形開孔的要高。

圖5 換熱器的殼程流體出口溫度曲線

不同流速下換熱器換熱系數曲線如圖6所示。當殼程入口流速較低時，折流板3種開孔形狀的換熱器換熱系數相對較低，且三角形開孔的換熱系數略好于正方形開孔和圓形開孔。隨著殼程入口流速逐漸增高，殼程內流體流速也隨之變高，換熱系數已經比較理想。當入口流速較高時，圓形開孔的折流板換熱器擾流作用要明顯好于正方形和三角形開孔的換熱器，所以換熱系數高于后者。

圖6 換熱器的換熱系數曲線

3) 開孔形狀對換熱器流動與傳熱綜合性能的影響

換熱器的綜合傳熱性能可以通過單位壓降的傳熱系數來評價。在殼程入口流速不同的情況下，換熱器殼程傳熱與流阻綜合性能指標?/Δp曲線如圖7所示。3種開孔形狀的換熱器綜合性能明顯高于普通折流板換熱器，入口流速越低，效果越明顯。比如圓形開孔折流板換熱器進口速度為0.1m/s時的?/Δp是1.0m/s時的6倍。當入口流速相同且<0.8m/s時，正方形開孔效果最好，三角形開孔效果介于正方形開孔和圓形開孔之間，當進口速度為0.1m/s時，正方形開孔的折流板換熱器的?/Δp是圓形開孔換熱器的1.429倍。當流速>0.8m/s時，三角形開孔的折流板換熱器綜合性能參數有超過圓形開孔和正方形開孔的趨勢。

圖7 換熱器的單位壓降換熱系數曲線

3 結語

1) 當大小孔折流板換熱器開孔面積相等時，圓形開孔壓降最大，正方形開孔和三角形開孔壓降比圓形開孔壓降稍小。

2) 在殼程入口流速不同的情況下，3種開孔形狀的換熱器殼程流體出口溫度相差不大，范圍在3%以內。當入口流速較低時，三角形開孔換熱系數好于圓形開孔和正方形開孔；當流速逐漸增大時，圓形開孔和正方形開孔的換熱系數高于三角形開孔。

3) 在開孔面積相等時，折流板上的3種開孔形狀對換熱器殼程傳熱與流阻綜合性能參數?/Δp的影響均不相同，殼程入口流速越低，效果越明顯，因此應該充分考慮折流板開孔形狀對換熱器性能的影響。