垂直布置百葉折流板管殼式換熱器性能研究

王志鵬，雷勇剛，杜保存，李亞子，王 飛

(太原理工大學 土木工程學院，太原 030024)

管殼式換熱器因其結構簡單、運行可靠和易于維護等特點而廣泛應用于石油化工、能源動力等領域，其中，弓形折流板換熱器是應用最廣泛的一種管殼式換熱器[1-5]。

傳統弓形折流板管殼式換熱器存在流動阻力大，管束震動大和流動傳熱死區大等問題。為了解決傳統弓形折流板管殼式換熱器存在的問題，許多學者對如何優化弓形折流板管殼式換熱器的結構進行了大量實驗和數值模擬研究[6-8]。管束支撐結構是管殼式換器的關鍵部分，直接影響管殼式換熱器的傳熱和阻力特性。因此，學者們提出了很多管殼式換熱器殼側支撐的優化結構，如雙弓形折流板換熱器[9]、圓盤圓環型折流板換熱器[10]、折流桿換熱器[11]、螺旋折流板換熱器[12-19]。其中，雙弓形折流板換熱器和圓盤圓環型折流板換熱器雖然對傳統弓形折流板換熱器進行了改良，但仍未能從根本上改變殼側流動狀態。折流桿換熱器將弓形折流板換熱器殼側的橫向流變為縱向流，使得流阻降低，抗垢性能良好，但是結構緊湊性差，相同流量下的殼側傳熱系數低，不適用低雷諾數工況。螺旋折流板換熱器能有效減少流動死區，但其加工和安裝較為困難。雷勇剛等[20]提出新型百葉折流板管殼式換熱器，該換熱器結構與傳統弓形折流板管殼式換熱器相比，減小了流動死區，提高了單位泵功下的傳熱量，同時，降低了加工難度。

基于上述已有研究，本文提出了一種垂直布置百葉折流板的新型管殼式換熱器，旨在改善管殼式換熱器殼側流動結構，實現換熱優化，降低泵功消耗。通過三維數值模擬研究，對垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側流場、傳熱和阻力性能進行了研究，并具體分析了折流片傾角對其性能的影響。

1 幾何模型及其數學描述

1.1 幾何模型

垂直布置百葉折流板管殼式換熱器由外殼、換熱管束、管側進出口、殼側進出口和百葉折流板組成，百葉折流板垂直布置，對管束起到支撐和導流作用，其內部結構如圖1所示。寬度和傾角相同的4片百葉折流板等間距垂直布置在殼體內，殼側流體由殼側入口進入換熱器，經百葉折流板的導流后，形成多股受限外流，通過換熱管束壁面與管側流體進行熱量交換，最后由殼側出口流出。傾斜角度為折流片與換熱管軸線的夾角，換熱器基本幾何參數如表1所示。為了進行性能對比，本文同時建立了弓形折流板換熱器的物理模型，其外殼和換熱管布置及其幾何參數與垂直布置百葉折流板管殼式換熱器相同，只有折流板結構不同。

圖1 百葉折流板垂直布置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure with vertically arranged Louver baffles

表1 模型基本幾何參數Table 1 Geometric dimension of the design

1.2 控制方程和計算方法

1.2.1三維穩態湍流控制方程

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

k方程：

(4)

ε方程：

(5)

1.2.2基本方程

換熱器換熱量:

(6)

換熱器傳熱系數:

h=Q/ΔTm·A.

(7)

1.2.3邊界條件和計算方法

本文計算同時考慮了換熱器管側和殼側的流動和換熱情況，殼側流體為熱水流體，管側流體為冷水流體，入口均為速度入口邊界條件，給定均勻流速，設定冷水和熱水入口溫度分別為298 K和333 K，湍流強度I=5%；出口為壓力出口邊界條件；換熱管和折流片均為耦合傳熱面，實現流體和固體的耦合傳熱計算；外殼為絕熱邊界條件，固體壁面為無滑移邊界條件。通過三維數值模擬，對垂直布置百葉折流板管殼式換熱器換熱和流動特性進行研究。計算中采用高階的QUICK格式離散方程，SIMPLE算法進行壓力和速度的耦合計算，采用RNGk-ε湍流模型和標準壁面函數。

2 網格生成和獨立性考核

計算模型由換熱管、垂直布置百葉折流板、外殼以及管側和殼側進出口等結構組成；殼側尺寸、折流板與換熱管之間尺寸差距大，在換熱器管側和殼側進出口處采用結構化網格，其余部分采用非結構化的四面體網格。本文同時考慮管內和管外的流動和換熱情況，在換熱管內部也生成網格，換熱管面和折流板表面為流固耦合面。為了提高計算的精度，對換熱管邊界處進行自適應加密處理，生成網格截面圖如圖2所示。

圖2 網格截面圖Fig.2 Grid of cross-section

通過調整網格尺寸，建立5組細密程度不同的網格。網格數分別為1 756 845、2 096 148、2 522 400、2 712 106、3 106 000，對5組網格進行獨立性考核，計算結果如圖3所示。第四套網格與第五套網格的計算結果偏差小于1%，綜合考慮時間成本和計算精度，采用第四套網格進行模擬計算。

圖3 網格獨立性考核Fig.3 Grid independence test and verification

3 模型有效性驗證

為了驗證本文模擬計算的有效性，建立與文獻[17]中的換熱器實驗試件幾何結構相同的管殼式換熱器模型進行數值模擬計算，殼側壓降隨殼側流量變化的計算結果與實驗結果對比如圖4所示。由圖4可以看出：模擬計算結果與實驗測試得到的殼側壓降值隨換熱器殼側流量的變化趨勢一致，殼側進出口壓降均隨著殼側流量的增加而增大，模擬計算得到的結果與實驗結果的偏差在15%以內。這充分說明本文建立的模型和計算方法是可靠的。

圖4 模擬結果與文獻[17]實驗結果對比Fig.4 Comparison of the experimental date[17] and simulation data

4 計算結果與分析

4.1 流場和溫度場分析

圖5為弓形折流板和垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的殼側流場圖，殼側入口流速為1.5 m/s.由圖5可以看出，弓形折流板管殼式換熱器殼側流場呈現典型的“Z”字型周期性流動，殼側流體流經前一塊折流板缺口形成平行于換熱管的縱向流，在后一塊折流板迎風面阻擋下突變為橫向流沖刷換熱管，流場分布不均勻；特別是在折流板背面形成回流區，該區域流速緩慢，傳熱惡化。與傳統弓形折流板管殼式換熱器相比，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼程流場分布均勻，充分利用流體與換熱管接觸的換熱面積；殼側形成較均勻的斜向流，局部流場受折流板擾動明顯，流體經過折流板間隙后形成漩渦尾流，斜向沖刷換熱管，換熱充分且有利于防垢。

圖5 換熱器殼側流場圖Fig.5 Flow field of heat exchanger in shell side

圖6為弓形折流板換熱器和垂直布置百葉折流板換熱器的換熱管束溫度分布圖。從圖中可以看出，換熱管束高溫區域出現在殼側入口處，換熱管束溫度沿殼側流體流動方向逐漸降低。弓形折流板管殼式換熱器的換熱管束溫度場呈現出與殼側流場對應的“Z”字型分布；垂直布置式百葉折流板換熱器的換熱管束溫度場變化均勻，并沿軸線方向降低，有利于降低換熱管束的熱應力，提高換熱器運行的安全性能。

圖6 換熱器內換熱管束溫度分布圖Fig.6 Temperature field of heat exchanger for tube

4.2 換熱器殼側阻力性能分析

圖7為不同折流片傾角的垂直布置百葉折流板管殼式換熱器和傳統弓形折流板管殼式換熱器殼側進出口壓降與入口流速的變化關系圖。從圖中可以看出，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側壓降均小于弓形折流板管殼式換熱器壓降。其原因在于弓形折流板管殼式換熱器殼側流體垂直沖刷換熱管且在折流板缺口處流向發生突變，使得壓力損失大；而百葉折流板管殼式換熱器殼側流體斜向沖刷換熱管，沒有因流體突然轉向而形成大的壓降。與弓形折流板管殼式換熱器相比，折流片傾角為30°時，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的壓降降低了42.16%～45.10%；折流片傾角為45°時，降低了31.94%～40.99%；折流片傾角為60°時，降低了29.76%～32.28%；折流片傾角為75°時，降低了10.06%～12.66%.計算結果表明，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側壓降隨著折流片傾角的增大而增加，壓降增幅隨之增大。這是因為隨著折流片角度的增大，兩折流板之間的流通面積減小，通過流通面積的流體速度變大，流動阻力相應增大；同時，折流片角度變大，對流體的速度方向的改變更為顯著，使得局部阻力增大。

圖7 殼側壓降與入口流速變化關系圖Fig.7 Pressure drop of shell side vs flow rate

4.3 換熱器殼側綜合性能分析

圖8為不同折流片傾角的垂直布置百葉折流板管殼式換熱器和弓形折流板管殼式換熱器單位壓降下的傳熱系數與入口流速的關系圖。從圖中可以看出，隨著流速的增加，不同折流片傾角的換熱器單位壓降下的傳熱系數隨殼側流量呈現先增大后減小的趨勢。在研究過程中，不同流速下的垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的單位壓降下的傳熱系數K均大于弓形折流板管殼式換熱器，這說明在相同的泵功損耗下，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的換熱系數大于弓形折流板換熱器。這也意味著在獲得相同換熱量的情況下，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的泵功消耗要低于弓形折流板換熱器。與傳統弓形折流板管殼式換熱器相比，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器將垂直沖刷換熱管的橫向流變為沿折流板方向的斜向流動，殼側流體沒有了流向的突然改變，使得其壓力損失減小；同時，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側流場更加均勻，減小了折流板后方的流動死區，使得有效換熱面積更大。在傾角較小時，流通截面積大，流體速度小，換熱管表面的熱邊界層較厚，流體速度場和溫度場協同程度差。隨著傾角的增大，流通面積減小，流速逐漸增大，場協同程度變好，邊界層厚度減小，傳熱系數增加。與弓形折流板管殼式換熱器相比，折流片傾角為30°時，垂直布置百葉折流板管殼式換熱器單位壓降下的傳熱系數提高了36.62%～49.29%；折流片傾角為45°時，提高了38.62%～51.43%；折流片傾角為60°時，提高了28.02%～44.14%；折流片傾角為75°時，提高了8.36%～20.59%.當傾角為45°時，單位壓降下的傳熱系數最大，綜合性能最好。

圖8 單位壓降下的傳熱系數與殼側入口流速的關系圖Fig.8 Heat transfer coefficient/pressure drop in shell side vs flow rate

5 結論

發展一種新型垂直布置百葉折流板管殼式換熱器，建立三維數值模擬模型，考慮管側和殼側流體耦合作用，能夠更真實地反應流動和換熱情況。本文通過三維數值模擬，對不同折流片傾角下的垂直布置百葉折流板管殼式換熱器的傳熱和阻力性能進行研究，得出以下結論：

1) 與傳統的弓形折流板管殼式換熱器相比，新型垂直布置百葉折流板的管殼式換熱器殼側流體形成傾斜流動，斜向沖刷換熱管，殼側壓降降低；其流場均勻，流動死區減小，有效換熱面積大，傳熱效率提高。

2) 垂直布置百葉折流板管殼式換熱器殼側壓降隨折流片傾斜角度的減小而減小。與弓形折流板管殼式換熱器相比，最多降低45.10%，最少降低10.06%，泵功減小，節能效果明顯。

3) 垂直布置式百葉折流板換熱器單位壓降下的傳熱系數不隨折流片傾斜角度呈現單調變化。當傾角為45°時，其單位壓降下的傳熱系數比傳統弓形折流板換熱器的傳熱系數提高了38.62%～51.43%，綜合性能最好。