卡麗娜(Kalina)循環系統蒸發器入口結構流場數值模擬分析*

張元吉，李治國，張 濤

(蘭州蘭石換熱設備有限責任公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

板式熱交換器作為一種高效節能型的熱交換設備，因其獨特的結構設計，相較其它類型的熱交換器具有良好的傳熱性能和流動阻力性能，得到了廣泛的應用和發展。板殼式換熱器是一種全焊接板式熱交換器是集板式換熱器和管殼式換熱器優點于一身的新型換熱設備,與管殼式換熱器相比,它具有換熱效率高,端部溫差小,壓降低,占地面積小以及節約工程費用、設備安裝費用和裝置操作費用等優點，在石油化工、節能環保系統中有著廣泛的應用[1-4]。

卡麗娜(Kalina)循環作為一種高效、經濟和低污染的動力轉換方式已經為越來越多的人所重視[5]。此技術中關鍵換熱設備蒸發器的作用就是將冷凝下來的氨水溶液再次加熱蒸發生成氨蒸汽，去推動汽輪機做功。蒸發器運行的效果直接到影響到整個系統的運行效率。

目前對板式熱交換器的研究主要在板型、波紋結構、流道內流體分配等方面對熱交換器性能的影響[6-16]。為了深入研究卡麗娜(Kalina)循環系統中板殼式蒸發器的氨水側入口結構形式對板式熱交換器性能的影響，文中通過固定進口流量，調整氨水側入口結構形式，對比分析了12個間距30°均布孔、6個間距30°孔、6個間距25.7°孔三種不同氨水側入口結構形式下對板殼式蒸發器氨水側流場分布情況的影響。筆者采用Fluent數值模擬的方法，對氨水側進口結構形式進行調整、對比、分析，進而確氨水側入口的最佳結構參數，為卡麗娜(Kalina)循環系統中板殼式蒸發器的性能優化設計提供基礎。

1 數值計算模型

1.1 物理模型

在SolidWorks軟件中進行3D三維幾何模型的建立。考慮到分析模型的網格劃分情況，將模型進行適當簡化。根據開孔形式和適當優化，簡化完成的分析模型共3個，如圖1所示。

圖1 模型

1.2 數學模型

板殼式蒸發器的氨水側進口流體分配問題主要涉及不可壓縮流體動力學力學基本方程包括連續性方程、動量方程、和能量方程。相關的控制方程如下。

連續性方程：

(1)

ρ(?·ν)=0 或 ?·ν=0

(2)

即：

(3)

i方向直角坐標系中的動量守恒方程：

(4)

能量守恒方程：

(5)

RNG k-ε模型：

ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中： U、V、W為流動速度分量；ρ為流體密度；Р為壓力；V為運動粘度；Ui為i方向的速度分量；a為熱擴散系數，m2/s。Gk為由平均速度梯度引起的湍流動能k的產生項；Αk、αε分別為湍動能k和耗散率ε對應的普朗特數；C1ε、C2ε、C3ε均為經驗常數。

1.3 邊界條件與網格劃分

1.3.1 邊界條件

載荷及邊界條件見表1 ，進出口采用周期性邊界條件，入口設置為質量流量、壓力入口。出口設置為質量流量、壓力出口。兩側邊界設置為對稱邊界條件。

表1 載荷及邊界條件

1.3.2 網格劃分

根據圖1建立模型，導入hypermesh中進行網格劃分，全部模型采用六面體/四面體混合網格，并對小孔處進行網格加密，網格質量優秀。全模型共有105萬個控制體，如圖2所示。

圖2 網格

2 數值模擬結果與分析

2.1 氨水管圓周方向開12個孔

根據圖1中第一個模型，圓周方向每30°開一個孔，共12個孔，劃分網格并進行計算后所得計算結果如圖3、4所示。

從流線圖3中可以看出氨水從管孔噴出后，均勻的分布于罐體四周，但是出口的流線疏密程度不均勻，所以該機構需要進一步優化。

圖3 流線圖 圖4 矢量圖

從左右兩側出口流速圖5中也可以看出左右兩側的流量不均勻，所以需要進一步調整。

圖5 左右兩側出口流速圖

2.2 氨水管圓周出口方向開6個孔夾角30°

根據計算沿圓管及進出口兩側各開3個孔，孔的測算依據由圖6所示，如果能夠使氨水噴出的寬度與出口的寬度相當，那么至少得滿足內圓上開孔邊緣與外圓的連線是a線，那么初步計算出開孔的中心線為b夾角為30°。所以根據圖1第二個模型劃分網格并進行計算。流線圖及矢量圖如圖7、8所示。

圖6 布孔計算示意圖

圖7 流線 圖8 矢量圖

從圖9 左右兩側出口流速圖可以看出，左右兩側出口流速都比較均勻，流線分布也比周向開12個孔均勻。

圖9 左右兩側出口流速圖

2.3 氨水管圓周出口方向開6個孔夾角26°

為了更進一步研究夾角小于30°的時候是否均勻，根據圖6的計算方法，減小孔間夾角為26°進行計算，模態如圖1中3氨水管圓周出口方向開6個間距25.7°孔圖。如圖10～13所示。

圖10 流線圖 圖11 矢量圖

通過計算可以看出當開孔的夾角為26°時，由于開孔間距減小造成相鄰兩個孔中的液體相互影響，從而造成了底部湍流比較大，而出口不均勻的情況。

圖12 截面水體積分數

圖13 流線左右兩側流速

3 結 論

通過固定進口流量，調整板殼式蒸發器氨水側入口結構形式，調整、對比、分析了12個間距30°均布孔、6個間距30°孔、6個間距25.7°孔三種不同氨水側入口結構形式下板殼式蒸發器入口的流場分布情況，進而得出以下結果。

(1) 板殼式蒸發器的氨水側入口結構形式對設備內流場分布情況的影響較大。

(2) 通過計算可知在氨水進入管四周均勻開12個孔是不合理的，主要是受到出口開口方向的限制和中間的管道影響。

(3) 合理的開孔方向應該是如圖6所示，小孔的外切線的延長線與大圓的交點等于或者略小于開孔尺寸，經過計算得到小孔的開孔角度為30°即氨水管圓周出口方向開6個孔夾角30°。計算結果可以看出兩個出口及設備內流場分布比較均勻。

(4) 為了更進一步證實開孔角度為30°的合理性，選取了26°的開孔角度即氨水管圓周出口方向開6個孔夾角26°進行計算，計算結果可以看出兩個出口及設備內流場分布不均勻，結構不合理。