螺旋折流板換熱器管程強化傳熱行為的對比研究

李浩天，陳吉

螺旋折流板換熱器管程強化傳熱行為的對比研究

李浩天，陳吉

（遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

選用25 ℃水和125 ℃煤油分別作為冷熱流體，采用FLUENT軟件的標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對螺旋折流板換熱器進(jìn)行三維數(shù)值模擬仿真，對比研究了普通直管、波紋管和螺紋管流場內(nèi)溫度場，速度矢量場以及壓力場。隨著流速增大，三種管束類型的管程強化的換熱量及進(jìn)出口壓降均升高，螺紋管不但增強了管程強化的傳熱效率，而且彌補了波紋管壓降過大的弊端。當(dāng)進(jìn)出口流速均為2 m/s時，相比于普通直管，波紋管的換熱量提高了12%，螺紋管提高了14%，但螺紋管的壓降相比于波紋管降低了16%。

螺旋折流板換熱器；數(shù)值模擬;波紋管；螺紋管；傳熱增強

隨著全球能源的日益減少，減耗節(jié)能已經(jīng)越來越得到社會的重視。換熱器應(yīng)用在供暖，石油，化工，煉化，制藥的眾多領(lǐng)域，其中管殼式換熱器占據(jù)了約70％的換熱器市場，所以為了促進(jìn)管殼式換熱器的優(yōu)化，國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開展了廣泛的研究。由于具有制造簡單、選材廣、成本低、體量大、適應(yīng)性強、易清洗、工作可靠等優(yōu)點，弓形折流板換熱器在早期被廣泛應(yīng)用［1］。但其流動死區(qū)多，阻力大，壓降大，傳熱效率低等問題難以改進(jìn)。李斌［2］通過仿真模擬，將弓形折流板和螺旋折流板作對比，發(fā)現(xiàn)螺旋折流板換熱器的單位壓降換熱系數(shù)大于弓形折流板換熱器的單位壓降換熱系數(shù)。王戰(zhàn)輝［3］對波紋管內(nèi)部流動性能進(jìn)行分析，得出流動死區(qū)沿著中心軸逐步降低。

本文在波紋管的基礎(chǔ)上，改變其物理模型，使波紋管的大圓弧波峰與小圓弧波谷相對，對比普通直管、波紋管、螺紋管的溫度、壓力和速度矢量場。同時得到壓降和傳熱量曲線，通過對比三種不同的結(jié)構(gòu)，得出最優(yōu)的管程強化方式。

1 物理數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 三維模型建立

三維建模如圖所示，螺旋折流板以普通的四分型建立，以內(nèi)部流場為研究對象進(jìn)行建模網(wǎng)格區(qū)分。

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)FLUENT軟件中的連續(xù)性方程，動量守恒方程，能量守恒方程；假設(shè)冷流體和熱流體均為牛頓不可壓縮流體，整個模擬均為穩(wěn)態(tài)過程，以下方程對時間的偏導(dǎo)均為零。

表1 換熱器幾何參數(shù)表

圖1 三維建模

（1）連續(xù)性方程

（2）動量守恒方程

（3）能量守恒方程

式中:—軸方向速度分量，m/s；

—軸方向速度分量，m/s；

—軸方向速度分量，m/s；

—時間，s；

C—比定壓熱容，J/（kg·K）；

—流體黏度，Pa·s；

—導(dǎo)熱率，W/（ m·K）；

—流體密度，kg / m3；

—溫度，K；

—壓力，Pa；

—熱量，J。

1.3 邊界條件設(shè)定

（1）速度入口，壓力出口，出口表壓力為0。

（2）冷流體為25 ℃水，熱流體為125 ℃煤油， 均為牛頓不可壓縮流體。

（3）換熱管外壁結(jié)構(gòu)為鋁恒溫。

（4）殼體材料為鋁，絕熱壁面。

2 模擬仿真分析

2.1 換熱量對比

通過（1）、（2）公式可以求出冷流和熱流換熱量:

=·△

=··

=··△

式中：—熱流量，W；

—總導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2/℃）；

—傳熱面積，m2；

△—熱流體與冷流體之間溫度差，K；

—比熱容；

—質(zhì)量，kg；

—溫度，K；

—進(jìn)口截面積，m2。

表2為普通直管，波紋管，螺紋管在冷流速度恒定為2 m/s，熱流速度為0.5 m/s，1 m/s，1.5 m/s，2 m/s時的換熱量。

表2 溫度、換熱量

從表中可知，在熱流流速為0.5 m/s時，普通直管的換熱量最高，但隨著熱流速度的加快，波紋管和螺紋管的換熱量均大于普通直管，且螺紋管換熱量略高于波紋管。

通過換熱量立體圖可以看出普通直管的換熱量遠(yuǎn)低于波紋管和螺紋管的換熱量。波紋管和螺紋管的換熱量大致相同，螺紋管略優(yōu)于波紋管的換熱量。

圖2 冷、熱流進(jìn)出口溫度

2.2 溫度場

圖4 殼程溫度變化

從殼程溫度云圖可以看出，溫度沿著殼程流體的流動方向逐步升高。通過對比發(fā)現(xiàn)，螺紋管和波紋管溫度場分布比普通直管溫度場分布更加均勻，而波紋管和螺紋管溫度場并無明顯變化但均強于普通直管。

2.3 速度矢量圖

從速度矢量圖中可以看出，無論是普通直管還是波紋管，螺紋管，對于換熱器殼程的影響可以忽略，但管程中，普通直管流動速度較慢，而且在管程中速度均勻。波紋管和螺紋管中，由于流體需要按一定的路徑錯流通過管束，流體在管束中湍流度得到強化。通過矢量圖可以看出螺紋管的速度相比于波紋管速度有較為明顯的提高。

圖5 速度矢量圖

2.4 壓降性能

從壓降曲線分析可以看出，冷流壓降無論是普通直管還是波紋管，螺紋管，壓降變化不大，原因是管程結(jié)構(gòu)的改變對換熱器殼程的影響微乎其微。但是從熱流壓降分析，普通直管的壓降最小，波紋管的壓降最大，這是由于無論是波紋管還是螺紋管，在波峰處速度降低，在波谷處速度增加，產(chǎn)生了旋渦，增加了湍流度，因此導(dǎo)致壓降大于普通直管的壓降，但螺紋管相比于波紋管，壓降降低了16%。

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用Solidworks軟件建模，通過Fluent軟件對普通直管，波紋管及螺紋管的流體進(jìn)行計算，通過后處理，得到了換熱器內(nèi)部流場的溫度場，速度矢量分布圖以及熱傳導(dǎo)量。并對壓降曲線進(jìn)行分析，從而得到：

（1）波紋管相比于普通直管，傳熱效率能提高12%，螺紋管相比于普通直管，傳熱效率能提高14%。

（2）無論是波紋管還是螺紋管，其特點均是使流體在管束中按一定的路徑多次錯流，從而增加湍流度，使傳熱效率得到優(yōu)化。但是帶來的弊端就是會導(dǎo)致熱流壓降增大，而螺紋管相比于波紋管的壓降能降低16%，既保證傳熱效率的增強，又彌補了壓降過大的弊端。

[1] 黎蓉.單弓形和新型折流板換熱器殼程流場的數(shù)值模擬及性能對比分析［J］. 2006（1）.

[2] 李斌，孫曉明，張偉，等. 螺旋折流板與弓形折流板換熱器性能的數(shù)值模擬[J]. 廣東化工，2018（3）.

[3] 王戰(zhàn)輝，馬向榮，高勇，等. 波紋管內(nèi)部流體流動性能的分析[J]. 華工科技，2019（8）.

[4] 吳金星，韓東方，曹海亮，等. 高效換熱器及其節(jié)能應(yīng)用[M]. 2009.

[5] 錢頌文，宋冬生，李慶領(lǐng)，等. 管式換熱器強化傳熱技術(shù)[M]. 2004.

[6] 高旭亮，陳忠海，劉忠峰，等. 管殼式換熱器折流板缺口高度對流場影響的數(shù)值模擬[J]. 河北建筑工程學(xué)院校報, 2019（3）.

[7] 林宗虎，汪軍，李瑞陽，等. 強化傳熱技術(shù)[M]. 2007.

[8] Elsevier Ltd. Experimental Investigation On Thermal-hydraulic Performance Of a Novel Shell-and-tube Heat Exchanger With Unilateral Ladder Type Helical Baffles[R]. 2019.

[9] 郭瀟瀟，高磊，蓋俊鵬，等. 波紋板凹凸結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱性能的影響[J]. 設(shè)計計算，2018（11）.

[10] 陳武濱，江楠. 新型板殼式換熱器殼程流動與換熱的數(shù)值模擬［J］.化學(xué)工程，2012，40.

[11] 王晨，桑芝富. 螺旋折流板換熱器殼程流動特性研究［J］. 實驗流體力學(xué)，2010（4）.

[12] 張少維, 桑芝富. 螺旋折流板換熱器殼程流體流動的數(shù)值模擬[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2004, 26（2）: 81-84.

[13] 徐百平, 王銘偉, 江楠，等. 螺旋折流板換熱器殼程流動與傳熱數(shù)值模擬研究[ J]. 石油煉制與化工, 2005.

[14] JAFARI NASR M R, SHAFEGHAT A. Fluid flow a-nalysis and extension of rapid design algorithm for heli-cal baffle heat exchangers[J]., 2008, 28: 1324-1332.

[15] 王素華, 王樹立, 趙志勇. 螺旋折流板換熱器流動特性研究[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報, 2001, 14（1）: 64-67.

Contrast Study on the Heat Transfer Enhancement Behavior of Spiral Baffle Heat Exchanger

,

(School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

3D numerical simulation analysis of spiral baffle heat exchanger was carried out by using 25℃water and 125℃kerosene as cold and hot fluids based on the standard turbulence model of FLUENT software. The temperature field, velocity vector field and pressure field in the flow field of ordinary straight pipe, bellows and threaded pipes were compared.The results showed that, when the inlet and outlet velocitieswere 2m/s, compared with the heat transfer of ordinary straight pipe, the heat transfer of bellows was improved by 12%, the heat transfer of threaded pipe was improved by 14%. Compared with bellows, the pressure drop of threaded pipe was reduced by 16%, which not only ensured the enhancement of heat transfer efficiency, but also made up for the disadvantage of large pressure drop.

Spiral baffle heat exchanger; Numerical simulation; Bellows; Heat transfer enhancement

2020-02-18

李浩天（1995-），男，碩士，遼寧省撫順市人，2020年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，研究方向：換熱器傳熱增強。

陳吉（1974-），男，教授，博士，研究方向：納米金屬材料學(xué)。

TF066.2+1

A

1004-0935（2020）05-0488-04