折流板换热器性能影响因素数值模拟研究

摘要：针对不同结构参数的弓形折流板换热器壳程进行数值模拟,计算表明折流板换热器壳程的压 降和管表面换热系数随着折流板数目的增加而增加,随着折流板缺口高度的增加而减小;而其综合性能 随着折流板数目的增加而减小,随着折流板缺口高度的增加而增加;第一块折流板与管板的距离对压降的影响较小,但对表面换热系数影响相对较大。

0引言

管壳式换热器由于结构可靠、技术成熟、适用 面广,是应用于化工,石油,制冷等行业的一种通 用设备.管壳式换热器的研究方法一般有实验研 究、理论分析研究与数值模拟研究3种,随着计算 机技术的发展,数值模拟已成为主要的研究方法. 最早对壳管式换热器进行数值模拟研究的是英国 学者Patankar和Spalding,他们在1974年提出分 布阻力、体积多孔度的概念,实现对壳管式换热器 壳程流场的数值模拟.多孔介质模型的主要缺点 是分布阻力和分布热源的模型和系数要依靠经验 来确定,其精度难以保证.建立壳管式换热器实体 模型进行模拟计算,能得到比较详细可靠的壳侧 流场与温度场.

管壳换热器的折流板数目、位置、缺口高度、 换热管的排列方式等影响换热器的壳程管表面换 热系数和壳程压降.现有文献大都只研究了某一 个方面[1-2],笔者旨在用大型CFD软件FLUENT, 采用数值模拟方法分析和总结折流板间距、弓形 折流板缺口高度、进口段折流板与管板的距离等 管壳式换热器的结构形式对换热器综合性能的影 响.评价不同结构下传热和流动性能的优劣,采用 现有文献常用的表面换热系数与压降之比h/Δp, 得到不同结构下h/Δp的变化规律.

1数值模拟及结果分析

1. 1流体动力学控制方程

流体流动受物理守恒定律的支配,包括[3-4]:

质量守恒方程:

1. 2模型验证

笔者建立的换热器数学模型采用与实物模型 相一致的几何参数:换热器总长1 940 mm,筒体 内径151 mm,折流板直径148 mm,换热管为19 ×2 mm的管子,正方形排列.根据换热器尺寸用 GAMBIT建立模型,由于换热器结构的对称性,可 以采用对称性边界条件,建立整体模型的一半,进 行网格划分.划分网格时根据折流板的位置将模 型分割成多个块,分块划分网格.然后导入FLU- ENT设置与实验相一致的边界条件:换热器壳侧 流体介质采用空气,管内的流体为饱和水蒸气,饱 和水蒸气不断由锅炉产生,认为管内温度恒定,因 此在模拟时可设置管壁温度为恒温.

数值模拟时选用标准κ-ε湍流模型,壁面采用无滑移边界条件[5],近壁面处理采用标准壁面函数法。采用此壁面函数时,壁面处网格不需要加密,只需要把近壁面的第一个内节点布置在对数分布率成立的区域内,即配置到旺盛湍流区 域.当与壁面相邻的控制体积的节点满足y*≥ 11.225,30<y+<300则流动处于对数率层;网格满足上述要求才能取得较为合理的模拟结果[6].

控制方程采用有限体积法离散,压力速度耦合采用SIMPLE算法,压力插补格式选择Standard格式,其他均采用二阶迎风格式.能量方程收敛精度在10-8以下,其他方程收敛精度在10-3以下,数值模拟结果与实验结果相比较如表1所示.

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实验中有污垢等影响,模拟时忽略了这些因素,因此进出口温差和压降都相对实验值小.由表1可以看出模拟值与实验值的误差在工程误差允许范围之内,说明了模型建立和数值计算的正确性.以下采用相同的模拟方法进行数值模拟,读取网格无关解作为本实验数字依据.

1. 3不同结构的数值模拟及分析

1. 3. 1不同折流板间距的影响

进行换热器设计时[7],推荐折流板间距一般 不小于壳体内径的1/5,且不小于50 mm,跨度过 大也会因流体诱导振动引起换热管不稳定以及流 通截面增大造成相同流量下换热系数降低.采用 实验模型整体结构参数,间距与壳体内径之比为 λ,改变折流板间距,设定缺口高度与壳体内径百 分比约为25%,分别在流量为80, 120, 160 m2/h 下,按表2所列的折流板间距参数,建模进行数值 模拟.

模拟结果如图1、2所示,从图中可以看出随着 折流板数目的减少,壳程的压降逐渐减小.管表面 换热系数h也逐渐减小.随着折流板数目的增多, 壳侧的‘Z’形流动更加接近理想横流,并且相邻两 块折流板之间通道面积减小,使流体横掠管束的速 度增大,换热系数提高.图3表明相同的流量,随着 折流板间距的增加,其综合性能逐渐增加.

1. 3. 2不同缺口高度的影响

进行管壳式换热器设计时,缺口高度宜取 0. 2~0. 45倍的壳体内径[7],管壳式换热器整体 模型仍然采用上述参数,折流板间距定为97 mm.

只改变折流板缺口高度,流量分别为100, 120, 140 m3/h,缺口高度与壳筒直径Di之比的百 分数如表3.采用与前面相一致的建模和模拟方 法分别对上述结构分别进行数值模拟,得到壳程 压降和壳侧管表面换热系数随流量的变化趋势如 图4、5所示.

从图4中可以看出,同一流量下随着折流板 缺口高度的增加,压降减少,趋势越来越缓慢;换 热器壳侧管表面换热系数h随着缺口高度的增加 而降低,这也是因为随着折流板缺口高度增加时, 壳侧流体流动偏离理想横流流动的程度就越大.

比较在相同折流板间距下,不同的折流板缺口 高度下综合性能的变化趋势如图6所示,可以看出综合性能随着缺口高度的增加而增加,趋势越来 越缓.

1.3.3不同进口段长度的影响

管壳式换热器因为其结构特点,壳程的流动可 以分为进口段、中间段和出口段.中间段的流体从 进口翻过第二块折流板后到出口前一块折流板之 间,流体流动和传热 可视为周期性充分发展状态. 考察进口段对中间周期段的影响,在折流板间距为 97mm,缺口高度与壳筒内径比约为25%的结构 下,仅改变第一块折流板与管板的距离进行建模和 数值模拟,其结构参数如表4所示,通过数值模拟, 结果如图7、8所示.

进出口接管与管板的位置不变,换热器总长度 不变,则换热管的有效换热长度没有变,改变第一 块折流板与管板的距离,即改变折流板与进出口接 管的距离.图7、8表明,不同的进口段长度,换热器 壳程压降基本保持不变,改变第一块折流板与管板 之间的间距,只是改变了端部区错流管束压降,根 据贝尔-台华设计公式,也说明改变间距对压降影 响不大.增加折流板与管板的距离,表面换热系数 呈下降趋势,是由于进口段温差大,越早进入横向 流,表面换热系数就越大.显然其综合性能随着距离的增加是下降的.

2结论

通过对弓形折流板管壳式换热器不同结构参 数进行数值模拟,表明折流板换热器壳程的压降和 壳程管表面换热系数随着折流板数目的增加而增 加,随着折流板缺口高度的增加而减小,而其综合 性能随着折流板数目的增加而减小,随着折流板缺口高度的增加而增加;第一块折流板与管板的距离对压降的影响较小,但对表面换热系数影响相对较大.比较不同结构下的综合性能,对弓形折流板换 热器的结构优化设计有一定的指导意义.

参考文献:

[1]黄文江,张剑飞,陶文铨.弓形折流板换热器中折流 板对换热器性能的影响[J].工程热物理学报, 2007, 28(6):1022-1024.

[2]王淳,马贵阳,李高萍.折流板位置对换热器性能的 影响[J].压力容器,2006, (5):65-68.

[3]陶文铨.数值传热学[M].第2版.西安:西安交通 大学出版社,2001:488-490.

[4]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学 出版社,2004.

[5]解衡,高祖瑛.管壳式换热器流场三维数值模拟[J]. 核科学与工程,2002, (3):240-243.

[6]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实 例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[7]GB 151-1999管壳式换热器[S].北京:中国标准出 版社,2000.

作者： 刘敏珊,杨帆,董其伍,欧阳克 (郑州大学热能工程研究中心,河南郑州450002)