管殼式換熱器弓形折流板的結構優化

呂林 虞斌 王風錄 江超

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403007

摘 要 為研究某高溫煙氣急冷器空氣二次冷卻系統的流動與傳熱特性，建立了管殼式換熱器簡化模型，運用ANSYS軟件進行數值模擬，分析了折流板數量、相對缺口高度、折流板間距和換熱器進出口管布置方式對換熱器性能的影響。結果表明：折流板數量越多，相對缺口高度越小，換熱器壓降越大，換熱系數越大，綜合性能指標越小;高溫區域折流板間距小、低溫區域折流板間距大的換熱器比等間距折流板換熱器平均換熱系數提高了4.3%，平均綜合性能指標提高了2.3%;空氣出口管布置在熱流體進口側比布置在熱流體出口側平均換熱系數提高了6.5%，平均綜合性能指標提高了4.3%。

關鍵詞 弓形折流板 管殼式換熱器 綜合性能指標 結構優化 ANSYS

中圖分類號 TQ051.5?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0368?07

Structural Optimization of Bow?Shaped? Baffles in Shell?Tube Heat Exchangers

LV Lin， YU Bin， WANG Feng?lu， JIANG Chao

（School of Mechanical and Power Engineering ， Nanjing Tech University ）

Abstract?? For purpose of investigating both flow and heat transfer characteristics of a high?temperature flue gas quenchers air secondary cooling system， a simplified model for the shell?tube heat exchanger was established and then simulated with ANSYS software， including analyzing the effect of baffle plates quantity，baffle gaps relative height， baffle spacing and the arrangement of both inlet and outlet pipes on the heat exchanger performance. The results show that， the more number of baffle plates can make the height of the? baffles relative notch smaller; the greater pressure drop of the heat exchanger brings about greater heat transfer coefficient and smaller comprehensive performance index. The average heat transfer coefficient of the heat exchanger with small baffles spacing in the high?temperature region and large baffles spacing in the low?temperature region can be increased by 4.3% and the average comprehensive performance index increased by 2.3% compared with the heat exchanger with equal spacing baffles. The average heat transfer coefficient can be increased by 6.5% and the average comprehensive performance index increased by 4.3% when the air outlet pipe is arranged at the inlet side of the hot fluid.

Key words?? bow?shaped baffle， shell?tube heat exchanger， comprehensive performance index， structural optimization， ANSYS

作者簡介：呂林（1998-），碩士研究生，從事新型高效傳熱傳質設備的研究。

通訊作者：虞斌（1965-），教授，從事化工過程機械的研究，abyu@njtech.edu.cn。

引用本文：呂林，虞斌，王風錄，等.管殼式換熱器弓形折流板的結構優化[J].化工機械，2024，51（3）：368-374.

管殼式換熱器因具有結構簡單、可靠性好、通用性強及制造成本低等優勢，廣泛應用于石油煉化、化工生產、能源、食品加工、制冷及余熱回收等行業[1～3]。折流板作為管殼式換熱器的關鍵部件，不僅具有支撐換熱管管束的作用，而且還能增強換熱器殼程流體的湍動程度，提高換熱效

率[4]。近年來，研究學者們設計了各種類型的折流板，如傳統弓形折流板、偏轉折流板及重疊螺旋折流板等，但由于制造工藝的限制，目前弓形折流板仍然是應用范圍最廣的折流板[5～7]。弓形折流板最重要的結構參數是折流板的板間距和板缺口高度，研究學者們針對這兩個參數開展了諸多研究。張少維等研究了折流板間距對換熱器性能的影響，并對比了弓形折流板和螺旋折流板在相同間距下的殼程壓力損失和換熱系數，發現在相同流量下弓形折流板的換熱系數大于螺旋折流板，但在單位壓降下螺旋折流板的換熱系數大于弓形折流板[8]。高章帆等對弓形折流板不同間距和不同缺口高度條件下換熱器殼程流體的流動過程進行了數值模擬，得到了折流板結構參數對殼程流體流動狀態、停留時間和壓降的影響，并提出了弓形折流板流動死區存在的位置及其影響因素[9，10]。李貴等研究了折流板不同開孔位置對換熱器性能的影響，發現在折流板壓強較高的區域開孔，可以有效減小換熱器壓降，減小流動死區[11]。劉秀峰等提出以換熱量與換熱器流動阻力引起功耗的比值作為換熱器綜合性能評價指標[12]。

虞斌等開發設計了一種新型的高溫高塵急冷器，該設備可將1 500 ℃的高溫煙氣在極短時間（0.01 s）內冷卻到750～900 ℃[13]。該換熱器采用雙套管形式的管殼式換熱器，由雙套管水、蒸氣自然循環一次冷卻和管殼式空氣二次冷卻結構組成。筆者主要對管殼式空氣二次冷卻系統進行研究，以得到最佳的折流板結構。

1 模型和數值方法

1.1 物理模型

圖1為雙套管換熱器三維模型。雙套管內管管內為高溫煙氣，雙套管環隙內為冷卻水，雙套管外管外側為冷空氣，其換熱后產生的熱空氣可以用于燃料的助燃，同時具有保溫隔熱的作用，從而提高換熱器的換熱效率，減小外保溫層厚度。

雙套管換熱器的相關結構尺寸如下：

換熱器長度 6 156 mm

殼體（直徑×壁厚） 1216 mm×6 mm

換熱內管（直徑×壁厚） 62 mm×5 mm

套管數量 51根

換熱外管（直徑×壁厚） 89 mm×5 mm

折流板壁厚 10 mm

空氣進口管（直徑×壁厚） 250 mm×6 mm

空氣出口管（直徑×壁厚） 250 mm×6 mm

圖2為雙套管換熱器的物理模型，其中d和h分別為折流板的板距和缺口高度。參考弓形折流板常用的缺口高度范圍為0.2D～0.45D（D為筒體直徑）[14]，為表達簡潔，定義相對缺口高度h*為：

h=（1）

為研究折流板間距對換熱器性能的影響，設計了3種折流板布置方式（圖3）。圖3中，S1型為等間距布置;S2型為高溫區域間距小，低溫區域間距大;S3型為高溫區域間距大，低溫區域間距小。

為研究進出口管布置位置對換熱器性能的影響，設計了3種進出口布置方式（圖4）。圖4中，T1型為空氣與冷卻水逆流布置;T2型為空氣與冷卻水順流布置;T3型為空氣與冷卻水順流布置且進出口管均在下側。

1.2 控制方程和邊界條件

采用Fluent軟件，在有限體積離散區域內建立標準的不可壓縮質量守恒方程、Navier?Stokes方程和組分輸運方程，對殼程流體的流動過程進行三維數值模擬：

▽·[u][→]=0（2）

+[u][→]·▽[u][→]=f-▽p+v▽[u][→]（3）

+▽·（[u][→]c）=▽

·▽

c（4）

式中 c——單位流體中示蹤劑的濃度，kg/m3;

f——源項;

p——流體壓力;

Sc——施密特數;

t——流動時間，s;

u——流體的湍動黏度，Pa·s;

[u][→]——流體速度，m/s;

v——運動黏度，m2/s;

ρ——流體密度，kg/m3;

▽——哈密頓算子。

換熱器殼程介質為空氣，進口設置為速度進口，溫度為25 ℃，出口設置為壓力出口，壓力為0.2 MPa。換熱器套管的內管側為高溫煙氣，進口設置為速度進口，速度為60 m/s，溫度為1 050 ℃，出口設置為壓力出口，壓力為0.3 MPa;換熱器套管的內外管環隙為冷卻水，進口設置為質量進口，質量流速為1.1 kg/s，溫度為110 ℃，出口設置為壓力出口，壓力為4 MPa。設置折流板、換熱管和設備壁面均為無滑移壁面。選擇適用范圍最廣的標準k?ε模型作為湍流模型。計算方法采用壓力和速度耦合的coupled算法;動量、能量、湍動能和湍流耗散率方程均采用二階迎風格式[15，16]。

1.3 參數計算

殼側總換熱量Q、換熱系數H的計算式為：

Q=mc（T-T）（5）

H=（6）

式中 c——介質的定壓比熱容，J/（kg·K）;

d——殼體直徑，mm;

L——有效長度，mm;

m——質量流量，kg/s;

N——換熱管數;

T——溫度，K;

下標 f——殼側流體;

in——入口;

out——出口;

w——壁面。

為綜合比較換熱器的換熱與流動性能，采用綜合性能指標J=H·Δp-1/3作為評價指標[17，18]。

1.4 網格劃分及無關性驗證

設置相對缺口高度h*=0.35，折流板數量n=6，折流板布置方式S1型，進出口管布置方式T1型，網格劃分結果如圖5所示。當空氣進口質量流量為2.53 kg/s時，分別取256萬、321萬、386萬、458萬4組網格數量的模型進行網格無關性驗證，結果如圖6所示。可以看出，對于網格數量為386萬、458萬的模型，兩者的換熱系數和殼程壓降十分接近，差值僅為1.7%、3.7%，說明此時增加網格數量對仿真結果影響不大。綜合考慮計算時間、精度和成本的要求，最終選定網格數量為386萬。

2 仿真結果分析

2.1 殼程流場

設置相對缺口高度h*=0.35，折流板數量n=6，折流板布置方式S1型，進出口管布置方式T1型，進口空氣質量流量為2.53 kg/s。圖7為殼程空氣

速度流線圖。可以看出，空氣流入換熱器后呈“Z”字形流動，流場分布不均勻，流體流經折流板時，流動方向發生突變，在缺口區流速較高，流體以較高速度橫向沖刷換熱管束;當流體經過折流板后，在折流板背風區流速降低，形成流動死區和回流區。

圖8為沿z軸不同位置（1.168、2.119、3.070、4.021、4.972 m）處的速度和溫度云圖。由圖8a可以看出，在同一截面處空氣流速不均勻，在折流板缺口處空氣流速大，隨著空氣沖刷換熱管，空氣流速逐漸減小。由圖8b可以看出，在同一截面處空氣溫度分布不均勻，在空氣流速大的區域溫度較低，在空氣流速小的區域溫度較高。

2.2 折流板數量和相對缺口高度對換熱器性能的影響

設置折流板數量n為6、8、10，相對缺口高度h*為0.25、0.30、0.35，折流板布置方式S1型，進出口管布置方式T1型。圖9為不同折流板數量和相對缺口高度下的換熱器性能曲線。由圖9a可以看出，壓降隨著空氣質量流量的增加而增加，并且隨著折流板數量的增加，相對缺口高度的減小，壓降增大的趨勢逐漸顯著;在相同質量流量下，折流板數量越多，相對缺口高度越小，壓降越大。由圖9b可以看出，換熱系數隨著空氣質量流量的增加而增加，在相同的質量流量下，折流板數量越多，相對缺口高度越小，換熱系數越大。由圖9c可以看出，綜合性能指標隨著空氣質量流量的增加而增加。當n=10，h*=0.25時，換熱器壓降最大，換熱系數最小，綜合性能指標最差;當n=6，h*=0.35時，換熱器壓降最小，換熱系數最小，綜合性能指標最好。經計算，n=6、h*=0.35模型比n=10、h*=0.25模型的平均壓降降低了70.1%，平均換熱系數降低了24.6%，平均綜合性能提高了13.4%。

2.3 折流板間距對換熱器性能的影響

設置折流板數量n=6，相對缺口高度h*=0.35，進出口管布置方式T1型。圖10為不同折流板間距下的換熱器性能曲線。由圖10a可以看出，S1、S2、

S3這3種折流板的布置形式對換熱器的殼程壓降影響不大。由圖10b可以看出，S2布置形式下的換熱器換熱系數和綜合性能指標最高，平均換熱系數比S1布置形式提高了4.3%，平均綜合性能指標提高了2.3%;S3布置形式下的換熱器換熱系數和綜合性能指標最低，平均換熱系數比S2降低了3.2%，平均綜合性能指標降低了4.3%。可見，若換熱器較長，換熱器熱流體進出口溫差較大，可以采用高溫區域折流板間距小、低溫區域折流板間距大的非等間距折流板布置形式。

2.4 進出口管布置方式對換熱器性能的影響

設置折流板數量n=6，相對缺口高度h*=0.35，折流板布置方式為S1型。圖11為不同進出口管布置方式下的換熱器性能曲線。由圖11a可以看出，T1、T2、T3這3種布置方式對換熱器的殼程壓降影響不大;T2、T3方式下的換熱器平均出口空氣溫度比T1的平均出口空氣溫度分別提高了10 K

和8 K。由圖11b可以看出，T2方式下的換熱器換熱系數和綜合性能指標最高，比T1的平均換熱系數提高了6.5%，平均綜合性能指標提高了4.3%;T3方式下的換熱器換熱系數和綜合性能指標最低，比T1的平均換熱系數降低了2.3%，平均綜合性能指標降低了3.3%。因此，進出口管可以采取上下布置的方式，使空氣充分沖刷換熱管，并且使空氣出口管布置在高溫區域。

3 結論

3.1 不同布置方式下的換熱器壓降、換熱系數、綜合性能指標均隨著空氣質量流量的增加而增加。

3.2 折流板數量越多，相對缺口高度越小，換熱器的壓降越大，換熱系數越大，綜合性能指標越小。因此，壓降受折流板數量和相對缺口高度的影響最大。

3.3 當換熱器熱流體進出口兩側溫差較大時，可以采用高溫區域折流板間距小、低溫區域折流板間距大的布置方式，從而在壓降變化不大的情況下提高換熱系數。

3.4 當換熱器熱流體進出口兩側溫差較大時，將冷流體出口布置在高溫側，能有效提高冷流體的出口溫度和換熱系數。

參 考 文 獻

[1] 林文珠，曹嘉豪，方曉明，等.管殼式換熱器強化傳熱研究進展[J].化工進展，2018，37（4）：1276-1286.

[2] CHEN Y P， SHENG Y J， DONG C， et al.Numerical simulation on flow field in circumferential overlap trisection helical baffle heat exchanger[J].Applied Thermal Engineering：Design，Processes，Equipment，Economics，2013，50（1）：1035-1043.

[3] 劉辰玥，鄭通，劉淵博，等.異形仿生換熱器殼側對流換熱的高效低阻特性研究[J].化工學報，2021，72（9）：4511-4522.

[4] 邵海磊，劉彤，許偉峰，等.折流板結構對換熱器殼程性能影響的對比研究[J].化工設備與管道，2016，53（1）：24-27;34.

[5] 黃文江，張劍飛，陶文銓.弓形折流板換熱器中折流板對換熱器性能的影響[J].工程熱物理學報，2007，28（6）：1022-1024.

[6] E J Q， HAN D D，DENG Y W， et al. Performance enhancement of a baffle?cut heat exchanger of exhaust gas recirculation[J].Applied Thermal Engineering，2018，134：86-94.

[7]? ABD A A，KAREEM M Q，NAJI S Z.Performance analysis of shell and tube heat exchanger：Parametric study[J].Case Studies in Thermal Engineering，2018，12：563-568.

[8] 張少維，周榮蘭，桑芝富.折流板間距對換熱器性能影響的數值研究[J].南京工業大學學報（自然科學版），2005，27（3）：65-68.

[9] 高章帆，范沐易，劉少北，等.折流板設備中流體停留時間分布與流動形態的對比研究[J].過程工程學報，2021，21（11）：1269-1276.

[10] 高章帆，范沐易，鄒雄，等.弓形折流板換熱器殼程流體流動過程模擬及結構優化[J].化工設備與管道，2021，58（2）：29-34.

[11] 李貴，鄭秋云，張信榮，等.弓形折流板開孔位置的數值模擬研究[J].應用力學學報，2020，37（1）：359-364.

[12] 劉秀峰，張詩，周志杰，等.換熱器結構優化與換熱性能評價指標研究[J].化工學報，2020，71（z1）：98-105.

[13] 虞斌，涂善東，莫遜.高溫高含塵爐氣急冷器：CN201010194938.3[P].2010-10-06.

[14] 鄭津洋，桑芝富.過程設備設計[M].3版.北京：化學工業出版社，2015：237-248.

[15] 吳曉蕓，袁益超.波紋翅片板翅式換熱器換熱與阻力性能[J].化學工程，2023，51（3）：35-40;65.

[16] 曹佳銘，王學生，陳琴珠.梯形螺旋外肋管管外強化傳熱性能研究[J].化學工程，2021，49（8）：22-27.

[17] YANG S F， CHEN Y P， WU J F， et al.Performance simulation on unilateral ladder type helical baffle heat exchanger in half cylindrical space[J].Energy Conversion and Management，2017，150：134-147.

[18] 費鳳繁，陳亞平，吳嘉峰，等.半圓柱空間異形孔板換熱器熱工水力性能的數值模擬[J].熱能動力工程，2023，38（3）：126-132.

（收稿日期：2023-06-25，修回日期：2024-05-15）