折流板切口方向對管殼式換熱器傳熱性能影響

?夏昭知 鄭珺文 鄭茂強

摘要：當折流板應用至管殼式傳熱器中時，所發揮的最突出作用就是改變管殼內部液體的流動方向，讓流體流速提高，流動效率上升。在一個管殼式交換器中要使用多少數目的折流板，一般是根據管殼內流體的性質和流量確定的，將折流板鋪設安裝在流體的“必經之路”上，既可以極大程度增強換熱器的傳熱效果，還能夠讓管束更為牢穩。本文首先簡要介紹了幾種常用的折流板型式，然后引入了管殼式換熱器的相關知識，最后通過建立三種不同的擋板實體模型并利用CFD軟件，得出了一些有關管殼式換熱器傳熱性能的結論。

關鍵詞：折流板;管殼式換熱器;傳熱系數;傳熱效能

0引言

管殼式換熱器的傳熱性能的影響因素很多，比如擋板之間的間距、擋板的開啟頻率等等。長期以來這個問題也一直受到國內外很多專業學者的關注，很多人就該問題也展開過大量實驗。本文的實驗結果顯示：當擋板以垂直切割方向放置，管殼式換熱器的傳熱性能能夠達到最佳。

1.??? 兩種常見的折流板型式

管殼式換熱器中折流板的工作原理是：使用折流板對殼程內的空間進行合理分離，將殼內空間劃分為不同的小單元，這樣流體在殼程內進行流動時就會受到很多阻礙，流體和殼壁之間也會發生很多摩擦碰撞，湍流程度就會隨之上升，最終傳熱器的傳熱系數也就能夠上升，在不同的換熱器中我們要謹慎選擇不同樣式的合適折流板，近年來實際應用時比較常見常用的折流板型式主要為單弓形折流板和雙弓形折流板，其中，單弓形折流板的優越性在于：傳熱膜的系數比較高，但是與此同時，它也使得殼內壓降較大。而雙弓形折流板則與之相反，一般該種折流板傳熱膜系數不算很高，但是與單弓形折流板相比其壓降能夠大幅減小。

2.??? 管殼式換熱器的相關知識背景

管殼式換熱器，又被稱為列管式換熱器，呈封閉式結構，內部壁面是主要的傳熱面，換熱器內包含著很多或大或小的零部件，包括殼體、傳熱管、折流板等。該種換熱器結構并不復雜，而且成本比較低廉，能夠良好適應高溫、高壓等各種惡劣環境，適用范圍極廣，所以性價比高。

3.??? 模擬探究

3.1. 初步確定模型數值

為了使研究結果更具可控性，同時也照顧研究的嚴謹性，在此我們將實驗模型進行合理的簡化，在探究過程中，暫時不考慮管孔和管板之間的間距的影響，不考慮內導管和旁路擋板結構的影響。另外在進行模型確定時還要做出以下假設：第一，流體在模擬過程中狀態始終保持穩定，流動過程和傳熱過程都保持平穩。第二，流體的密度、比熱容以及粘性都不會對實驗造成干擾。第三，圓通外壁與外界環境不會產生任何的熱量交換。第四，所選用的流體為牛頓流體，不能夠對其作出壓縮處理。

探究過程中，我們將圓筒直徑的尺寸設計為15厘米，流體傳送導管的長度設計為50厘米，采用正方形的管道，方管管徑設計為1.9厘米，方管之間間隔2.5厘米，擋板之間間隔10厘米，擋板厚度定為0.3厘米，長度10厘米。折流板數目選擇為5 塊和7 塊，間距確定為13.3厘米和10厘米。

3.2. 殼內結構劃分

殼內結構劃分要以所選擇的換熱器型號為依據，主要采用分塊網格劃分，熱交換器劃分比較固定，可以將固定管板劃分為一個區域，剩余的擋板劃分在另一大區域。在換熱管壁附近還要對網格進行加密處理，這樣才能夠提高計算的精度，最大程度降低誤差和后期分析難度。另外，使用網格結構也是很好的的劃分方式，比如出入口的噴嘴結構處就可以劃分為結構網格，除此以外的其他區域都可以確定為非結構化網格。

4.??? 確定其他條件

首先殼體內的流體介質我們確定為水，通過溫度的線性插值的變化情況，來對介電的性質作出反饋。模型內的的初始環境溫度設計為283k，進口率也要合理控制，必須維持在一萬至七萬的雷諾數內。管壁溫度控制在323k左右，在進出口處、擋板處還要進行絕熱處理。通過分別對間距不同、圓缺高度不同的各種折流板進行數值模擬，可以看出流體的流場和溫度場情況。本次試驗的全程流體都要保持一個湍流狀態。在進行模型的剩余精度確定時，我們可以利用試錯法。

5.??? 模型的檢驗工作

我們在模型檢驗時經常利用Bell-Delaware法，即貝爾- 臺華詳細設計法，管殼式交換器的相關性能和參數僅對臥式擋板比較適用。在這種情況下，我們就要根據模型對計算結果和實際模擬結果進行對比，看看是否有較大出入和偏差，以確定模擬的精度如何，選定的模擬方法是否科學正確合理。通過計算得出，傳熱系數誤差達到了大約17%，壓降誤差較大些，約為22%。深究這些誤差的產生原因，主要是數值計算時的使用的數據都是理想狀態下的數據，而實際實驗探究中不可避免要受到周圍環境作用。

6.??? 模擬結果探究

一般我們在對換熱器的傳熱性能進行分析時，主要看傳熱系數和換熱器性能兩大指標。首先我們對湍流模型中的交叉流動區域進行分析，在這一區域，由于擋板產生了巨大的阻礙作用，所以在擋板上的流體流向也會出現較大變化。并且與此同時，在流體周圍還會隨之產生橫流換熱器束，這樣流體的流動速度便會進一步加快，湍流翻涌的程度也會變得更強烈，流體翻涌并對換熱管束進行強烈沖刷，反復進行交叉運動，相應的傳熱效應也會變得更強。然后我們要對另一個區域特別作出解釋，那就是所謂的“流動死區”。流動死區處于擋板背面，這一區域的溫度通常極高，流體流速較低，這樣傳熱效果也較差，這也是擋板結構的一個突出弊端。

7.??? 管殼式換熱器的優化設計策略

要想對換熱器性能做出調整優化，提高其換熱效率，主要就是從換熱設備和傳熱技術兩個方面入手，當前的換熱器主要發展的方向是：逐步走向標準化、專業化、規范化、大型化，內部設備結構也越來越趨向緊湊密集。從狹義上分析，提高換熱器性能其實就是指提高傳熱性能，提高傳熱性能又主要可以從以下兩個角度入手：第一，削弱溫度邊緣層厚度。第二，改變傳熱面附近的流體。這兩種方法所引入的結構是不同的，第一種方法主要使用間斷翅片結構，第二種方法主要使用泡核沸騰來進行熱量傳導。

從本文所得出的實驗結果來看，要想提高傳熱效能，還可以采用適當減小折流板之間的間距的方式，或者減小折流板的圓缺高度，這樣便能夠在一定程度上調高換熱器的傳熱系數，相應的傳熱性能就可以變強。

8.??? 結束語

通過對實驗結果進行分析研究，得出以下幾個結論：第一，在三種實體模型中，管殼式換熱器的熱傳遞系數與殼體入口速度成正比，系數隨殼體入口速度上升而上升。第二，對于三種不同擋板的實體模型，如果外殼速度加大，擋板角度為45度，那么此時管殼式換熱器擋板的壓降就能夠控制到最低，垂直切割管殼換熱器內的壓力也控制到最小。第三，如果使用α/δ作為最終評價標準，那么最終觀察結果可以發現，板式換熱器擋板的性能明顯最為優良，使用效果最佳。

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