換熱器內L型折流板的優化設計

摘 " " "要： 換熱器內折流板是影響其換熱效率的關鍵部件，對折流板進行優化設計可以有效提高換熱器的換熱效率，從而提高能源利用率，節約能源。對新型L型折流板進行了研究，利用CFD原理，建立了L型折流板換熱器的幾何模型，并與普遍的單弓形折流板進行對比分析。結果表明L型折流板橫板長度為80 mm時其綜合性能最佳，壓力損失較單弓形折流板降低了11%～13%，當流速在1～3 m/s時，換熱效率提高了7.29%；當流速大于3 m/s時，最大降幅為5.18%，且當流速為1 m/s、3 m/s和5 m/s時較單弓形折流板換熱器綜合性能分別提高了12.3%、12.4%和13.7%，為換熱器工業設計提供了參考。

關 "鍵 "詞：換熱器；折流板；優化設計；換熱效率；綜合性能

中圖分類號：TQ013 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）07-0983-06

目前，人類社會活動所需要的能源80%以上來自傳統化石能源[1]。據統計，中國對石油的需求量占世界的30.4%左右，到2024年，我國對煤炭的需求缺口將超過3.6億噸[2]。為了有效解決化石能源不斷減少及能源浪費而造成的世界“能源危機”問題，國內外學者都致力于對節能高效新型技術的研究。優化能源利用結構，提高能源利用率，通過不斷地技術創新來解決迫在眉睫的能源問題至關重要[3]。換熱器是化工、石油、能源、海水淡化以及冶金等領域應用最為廣泛的設備之一，在石油化工行業，換熱器的經濟投入更是占整個行業42%以上[4]。以提高設備工作效率、降低燃料消耗、提高能源利用率、減小尺寸以及降低工業設備的投資成本為目的，對該設備進行優化設計，一直都是國內外學者研究的方向。

迄今為止，已有換熱器種類諸多，其中管殼式換熱器在工業中被廣泛應用[5]，其在世界范圍內市場份額占36.9%左右，在石油化工領域市場份額占據70%左右[6]。管殼式換熱器主要由殼體、換熱管、折流板、接頭、管箱封頭等結構組成。其中折流板是影響管殼式換熱器換熱效率的關鍵部件，折流板能夠使殼程流體沖刷管束次數增加，減少流動死區，提高流速從而提高工作效率，但折流板過多會導致換熱器殼程壓力損失過大，導致設備壽命急劇減小。因此，對折流板進行優化設計從而有效提高換熱器的換熱效率，增長換熱器壽命，提高能源利用率，節約能源十分必要。

近年來，國內外學者對換熱器的研究較為普遍，王志鵬等[7]提出了新型垂直布置百葉折流板管殼式換熱器，邵海磊等[8]提出新型的四分螺旋折流板換熱器，王英雙研發了一種新型的花格板管殼式換熱器，美國ABB公司研發了螺旋折流板換熱器，Mohebbi等[9]對帶有波紋的小型板式換熱器進行研究，喻九陽等[10]對不同開孔數量的折流板進行了實驗研究等。但是仍然存在設備工藝復雜、成本巨大、不易大規模生產使用、設備使用壽命短[11]、設備換熱工作效率低[12]、損失大、能源利用率不夠高等問題。針對該領域的現狀，本文基于傳統單弓形折流板換熱器，選取新型L型折流板進行模擬研究。綜合運用Fluent軟件和Post軟件等對不同橫板長度的L型折流板管殼式換熱器進行仿真模擬，通過壓力、溫度等與傳統單弓形折流板換熱器的數值相比較，最終確定最佳橫板長度，為換熱器工業設計提供了參考依據。

1 "數值模擬方法及數值計算方法

1.1 "數值模擬方法

首先要建立模型，主要為幾何模型，幾何模型是對描述現象或物體建立物理或數學模型。其次是要進行網格劃分，將幾何模型劃分為多個小單元，這些小的單元存在著大量的數據信息，通過單元接觸的節點建立方程計算，從而形成有限元模型。接著要確定邊界條件，準確的設置物性參數、邊界條件，選擇正確的計算方法，對計算的準確性至關重要；最后要模擬計算并查看結果，結果可以通過圖像、表格、曲線等表示，同時也可導出平面的流場等信息。

1.2 "數值計算方法

1.2.1 "研究對象

本文研究對象為新型L型折流板，建立簡化后的幾何模型與合理的有限元模型，同時使用Fluent軟件模擬不同流速時單弓形、L型折流板管殼式換熱器的流場分布，得到殼程壓力、溫度場云圖[13]。利用Post軟件得出進出口壓降、溫差，進行分析。對不同橫板長度的L型折流板管殼式換熱器進行仿真模擬，通過壓力、溫度較傳統單弓形折流板換熱器的數值相比較，評定最佳橫板長度。研究后發現，L型折流板換熱器結構比傳統單弓形折流板結構更穩定，壓力損失更小[14]。橫板長度為80 mm時，壓力損失較單弓形折流板降低了11%～13%，當流速在1 ～3 m/s之間時，換熱效率提高了7.29%；當流速大于3 m/s時，最大降幅為5.18%。

1.2.2 "控制方程

本文中流體不可壓縮，無內熱源，將標準k-ε模型簡化，簡化后的k-ε模型湍流方程如下：

（1）

（2）

物體各部分之間或相互接觸的兩個幾個物體，不發生宏觀位移，僅靠分子、原子、自由電子之間發生相對運動而產生的傳熱現象稱為導熱。根據傅里葉定律，單位時間內通過平面的導熱能量與該處溫度梯度、平板面積成正比，即導熱方程：

（3）

流體由于宏觀位移，使得冷熱流體互相摻混時所導致的熱量交換過程稱為對流換熱過程，其基本關系式為牛頓冷卻公式：

^_D_Dd_______

物體之間通過電磁波來傳遞能量稱為輻射換熱。實際物體的斯特藩-玻爾茲曼定律如下：

（5）

動量守恒方程：

（6）

（7）

（8）

1.2.3 "網格劃分

本文通過ANSYS Workbench中的mesh模塊選取四面體非結構化網格繪制[15]。網格劃分的好壞、多少對于計算準確性、計算時間成本都至關重要。網格劃分可分為結構化網格和非結構化網格。非結構化網格有三角形、四邊形或兼具兩種，也有六面體、四面體、三棱柱形以及它們的組合。對熱量變化明顯的地方應該適當提高網格密度，以提高計算精度。同時應該在熱量變化平穩的部分減少網格，以減少離散單元數，節約計算資源。同時要求不同網格區域結點相互連接。本文中L型折流板換熱器網格模型如圖1所示。

劃分網格結束后，需檢查網格質量，確保滿足計算要求。ANSYS mesh中提供了多種網格質量檢測項目，如正交質量、正交斜歪率、最大長寬比等，本文選取Element Quality，該值在0～1之間，數值越大網格越優良，本文模型平均網格質量都在0.82以上。因此網格質量滿足計算要求。本文中L型折流板換熱器網格質量如圖2所示。

1.2.4 "邊界條件

在繪制不同折流板換熱器幾何模型與有限元模型后，在ANSYS Fluent 2020軟件進行計算之前，需要在軟件中確定邊界條件。

計算時，液態水由殼程入口流入換熱器，機油從管程入口流入換熱器，邊界條件如下，

速度入口：殼程入口速度分別為1 m/s、3 m/s和5 m/s，管程入口速度為0.5 m/s。

入口溫度：液態水為20 ℃，機油為100 ℃。

壓力出口：管程、殼程壓力出口邊界靜壓為零，參考氣壓為101 kPa。

1.2.5 "網格無關性驗證

本文選取網格數量為422 044、706 901、1 349 714、1 709 204、2 021 597、2 591 680的6種情況進行無關性驗證，取兩流體出口溫度為參考因素。對比發現，1 349 714個網格與1 709 204個網格的結果僅相差2.56%，可采取第三種方案。為了節約計算資源，最終采用網格數量為135 W。

2 "實驗結果分析

2.1 "壓力分布模擬結果分析

從圖4得到不同橫板長度的L型折流板換熱器壓力場分布相似。殼程流體入口壓力最高，沿流道逐漸降低。流體沖刷管束時，向流處壓力較大，背流處壓力較小。流體沖刷折流板導致折流板附近壓力較高。

通過對比，折流板橫板長度過長，橫板與豎板間的流道過窄，導致此處流體壓力過大，對管束與折流板沖刷嚴重，不利于結構穩定，會降低壽命，嚴重時甚至流體無法順利流出，導致殼體破裂，產生極大的安全隱患。折流板橫板長度過小，折流板橫板對流體流場影響不大，壓力分布與單弓形折流板相似。

通過Post導出數據可以發現，殼程壓降隨著橫板長度變成先降低后升高。其中，在80～120 mm附近殼程壓降最低，三種流速下80～120 mm橫板長度的折流板均比單弓形折流板壓降低了11%～13%。由此可以看出，L型折流板承受能力較傳統單弓形折流板更好。由于本文初始的L型折流板結構就較好，故80 mm、100 mm與120 mm橫板長度L型折流板壓降差別不大。橫板長度較小時，由于L型折流板橫板能很好的引流減小流體對管束、折流板的橫向沖刷，故隨著橫板長度增加，壓降逐漸減小。當橫板長度較長時，由于折流板橫板與豎板缺口較小，流體不易通過，故殼程壓降升高，若缺口過小，嚴重時會導致換熱器殼程破損。

2.2 "溫度分布模擬結果分析

從圖8可以看出，不同橫板長度的L型折流板換熱器溫度場分布相似。殼程流體入口流體最低，沿流道逐漸升高。流體沖刷管束時，向流處溫度較低，背流處出現滯留區，流體溫度較高。兩折流板中間位置由于流體沖刷嚴重，換熱明顯，故溫度較高，折流板附近流體與冷流體混合，溫度較低。

通過對比，折流板橫板長度過長，橫板與豎板間的流道過窄，導致此處流體滯留，溫度較高，對管束與折流板沖刷劇烈，換熱更為明顯，但不利于結構穩定，會產生較大的熱應力，從而降低使用壽命。折流板橫板長度過小，折流板橫板對流體流場影響不大，溫度分布與單弓形折流板相似。

通過對比三種流速下的殼程出口溫度隨橫板長度變化曲線可以發現，當橫板長度過長時，殼程流體出口溫度會升高，這是因為橫板長度過長時，橫板與豎板間缺口較小，隨著流速增加，缺口處壓強增大，流體也不能很好的流出，故此處流體停留時間較長，流體溫度升高。由于折流板橫板過厚與管束交匯造成的熱損失和折流板橫板長度增加對換熱效率提高會有一個綜合的最佳值，約在60～80 mm附近。當流速為1 m/s時，80 mm的L型折流板比單弓形折流板殼程流體出口溫度提高了7.29%，在不同流速下，殼程流體出口攝氏溫度較單弓形折流板最多降低5.18%。

2.3 "速度分布模擬結果分析

折流板橫板能使得流體在其阻擋下進行回轉流動，流體在橫掠管束后產生回轉流動。雖然殼程出口流速變化較為明顯，但由Post導出出口流量與入口流量持平，確保了質量守恒。在橫板與另一塊折流板豎板間夾縫處，由于流道尺寸發驟變，該處流體流速較高，以橫板長度為200 mm最為明顯，這不利于結構穩定。在橫板較短的折流板背部易形成滯留區，不利于換熱。故適中的折流板橫板長度有利于穩定換熱器結構，提升換熱性能。

2.4 "綜合性能分析

考慮換熱器的溫度變化與壓力損失，本文根據Z因子[16]進行換熱器綜合性能評價。Z因子評價標準如下：

（9）

式中：Δt，Δt0—優化前后換熱器殼程進出口溫差，K。

ΔP/ΔP0—優化前后換熱器殼程壓力損失，Pa。

由于邊界條件設定各種情況下流體入口溫度與出口壓力相同，故可以對Z因子進行簡化：

（10）

式中：T0—殼程出口溫度，K；

Pi—殼程入口壓力，Pa。

通過Z因子評價換熱器綜合性能，得殼程入口流速分別為1 m/s、3 m/s和5 m/s時，80 mm橫板長度的L型折流板比單弓形折流板換熱器綜合性能分別提高了12.3%、12.4%和13.7%，比其他橫板長度都高。故選擇80 mm橫板長度為最佳長度。

4 "結 論

本文對1 m/s、3 m/s和5 m/s殼程入口流速下的橫板長度為20 mm、40 mm、80 mm、120 mm、160 mm和200 mm的L型折流板換熱器的壓力場、溫度場、流場進行分析，并與單弓形折流板換熱器內部流場特性進行對比，得出如下結論：

1）L型折流板橫板較短時，換熱器內壓力、溫度和流場分布與單弓形折流板相似；橫板長度過長時，折流板橫板豎板間的缺口較小，流體通過困難，換熱器內壓力損失較大，溫差較大，對管束與殼體的影響十分明顯，不利于結構穩定。

2）從壓力損失上看，在1 m/s、3 m/s和5 m/s三種流速下，L型折流板橫板長度為80 mm時，殼程壓力損失最小，比單弓形折流板低了11%～13%。

3）從換熱效率來看，流速為1 m/s時，80 mm時L型折流板比單弓形折流板殼程流體出口溫度提高了7.29%，在3 m/s和5 m/s兩種流速下，L型折流板殼程流體出口溫度較比弓形折流板的最大降幅為5.18%。

4）根據Z因子，L型折流板換熱器橫板長度為80 mm時綜合性能最高，比單弓形折流板換熱器提高了12.3%。

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Optimal Design of L-type Baffle in Heat Exchangers

WAN Pan1， YU Wen-zhu2， MA Ying2， ZHANG Tao2， ZHU Jin-yuan2

（1. Wuhan Maritime Communication Research Institute （WMCRI）， Wuhan Hubei 430205， China;

2. School of Energy and Environment， Shenyang Aerospace University， Shenyang Liaoning 110136， China）

Abstract： "The baffle plate in the heat exchanger is the key component affecting its heat exchange efficiency. The optimal design of the baffle plate can effectively improve the heat exchange efficiency of the heat exchanger， so as to improve the energy utilization and save energy. In this paper， the new L-shaped baffle was studied. Using the principle of CFD， the geometric model of L-shaped baffle heat exchanger was established， and it was compared with the general single bow baffle. The results showed that when the length of L-shaped baffle was 80 mm， its comprehensive performance was the best， the pressure loss was 11% ～13% lower than that of single bow baffle， and the heat exchange efficiency was increased by 7.29% when the flow rate was 1～3 m·s-1; When the flow rate was greater than 3 m·s-1， the maximum decrease was 5.18%， and when the flow rate was 1 m·s-1， 3 m·s-1 and 5 m·s-1， the comprehensive performance of the heat exchanger was improved by 12.3%， 12.4% and 13.7% respectively， which could provide some reference for the industrial design of the heat exchanger.

Key words： Heat exchanger; Baffle plate; Optimization design; Heat exchange efficiency; Comprehensive performance