太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 許曉紅  雷勇剛  田琦

     【摘  要】管殼式換熱器是暖通空調(diào)、能源動力行業(yè)中的主要換熱設(shè)備，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，提高其效率，對節(jié)能減排具有重要意義。本文提出新型外螺旋折流板內(nèi)斜百葉片的雙殼程管殼式換熱器結(jié)構(gòu)，建立三維物理模型，對其進(jìn)行流動結(jié)構(gòu)、傳熱和阻力特性的三維數(shù)值模擬研究；同時(shí)，分析了內(nèi)殼體中折流板片數(shù)對其特性的影響。結(jié)果顯示，雙殼程管殼式換熱器的殼側(cè)流場均勻，相同降壓下的傳熱系數(shù)平均高于同結(jié)構(gòu)的弓形折流板換熱器20.4%；在所研究范圍內(nèi)，換熱器性能在每組折流板片數(shù)為2時(shí)最好。

    【關(guān)鍵詞】管殼式換熱器；斜百葉片；雙殼程；傳熱；阻力

    基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（U1510136）；山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目（2016-031）

Abstract: The shell-and-tube heat exchanger is the main heat exchange equipment in the HVAC, energy and power industries. It is important to optimize its structure and increase its efficiency for energy conservation and emission reduction. A novel double shell-pass shell-and-tube heat exchanger combined with discontinuous helical baffles in the outer shell pass and louver baffles in the inner shell pass is proposed in this paper. This paper establishes a three-dimensional numerical model, conducts three-dimensional numerical simulation of heat transfer and resistance characteristics, and analyzes the influence of the number of louver baffles in the inner shell pass to its characteristics. The results show that the shell-side flow field of the double-shell shell-and-tube heat exchanger is uniform, and the heat transfer coefficient at the same pressure drop is on average higher than that of shell-and-tube heat exchanger with segmental baffles with the same structure by 20.4%. Within the scope of the study, the performance of heat exchanger is best when the number of baffles in each group is two.
Key: Shell and tube heat exchanger, Oblique louver, Double shell, Heat transfer, Resistance.

引  言

    管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，工作可靠，適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)勢成為換熱器中應(yīng)用最廣泛的一種，是暖通空調(diào)、化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。提高管殼式換熱器性能可有效達(dá)到節(jié)能減排的目的。優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)，針對換熱器特性開展研究對節(jié)能降耗具有重要意義。

    從20世紀(jì)開始，研究工作者對管殼式換熱器進(jìn)行了廣泛的研究。在研究初期，主要以垂直弓形折流板管殼式換熱器為主，研究殼側(cè)管束排列方式、折流板缺口高度、間距及泄露旁路、擋板角度對殼側(cè)壓降和換熱的影響^[1-5] 。研究表明，傳統(tǒng)的弓形折流板管殼式換熱器殼程壓降高，流動死區(qū)大，泵功消耗大^[6,7] 。隨后，在此基礎(chǔ)上又陸續(xù)出現(xiàn)了雙弓形、三弓板、四弓板等形式的管殼式換熱器，這些形式將流體分成多股平行束，使殼側(cè)流場均勻化得到了加強(qiáng)。但是其加工制造復(fù)雜，尤其多弓板時(shí)更是如此^[8-10] ，本身的結(jié)構(gòu)形式制約了它的發(fā)展。

    20世紀(jì)末，相關(guān)學(xué)者提出整圓形折流板，該流體將流動變?yōu)榭v向流動，消除死區(qū)，提高流速，利用管壁與孔板間圓環(huán)間隙形成射流。但該結(jié)構(gòu)增大直徑，缺乏管子支撐結(jié)構(gòu)，抗振性能差^[11] 。為進(jìn)一步改進(jìn)，又有學(xué)者提出矩形孔、異形孔等形式的折流板。2012年，陳亞平^[12]等對正方形、三角圓頭孔、網(wǎng)狀孔、六角梅花孔隔板換熱器的傳熱性能和壓降性能進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：除了網(wǎng)狀孔隔板換熱器的殼側(cè)換熱系數(shù)與弓形折流板相當(dāng)外，其余形式的傳熱系數(shù)和綜合性能均不及弓形折流板換熱器。20世紀(jì)60年代，有學(xué)者提出了螺旋折流板換熱器思想，旨在將殼側(cè)流體由縱向或蛇形橫向流動方向改變?yōu)槁菪隣盍鲃印５捎谶B續(xù)螺旋曲面的加工及安裝難度大。20世紀(jì)80年代捷克科學(xué)家發(fā)明了非連續(xù)的1/4螺旋折流板，采用一系列1/4扇形折流板代替螺旋曲面^[13] 。之后，大量國內(nèi)外研究學(xué)者采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對螺旋折流板進(jìn)行了系列研究。結(jié)果表明，螺旋折流板換熱器的單位壓降的換熱系數(shù)性能要優(yōu)于弓形折流板 ^[13-15] 。2008-2017年間，國內(nèi)王秋旺^[16-18]等人提出組合式多殼程螺旋折流板換熱器，外殼程采用連續(xù)螺旋折流板，內(nèi)殼程采用弓形折流板或連續(xù)螺旋折流板，并采用模擬和實(shí)驗(yàn)的方式對其進(jìn)行研究，結(jié)果表明雙殼程螺旋折流板換熱器的綜合性能較弓形折流板管殼式換熱器是有明顯提高的。

    本文提出一種全新的結(jié)構(gòu)形式——雙殼程外螺旋折流板內(nèi)斜百葉片管殼式換熱器，并對此結(jié)構(gòu)形成的殼側(cè)流動進(jìn)行理論分析及數(shù)值仿真，針對其傳熱特性和阻力特性展開研究，旨在得到高效低阻的結(jié)構(gòu)形式，減少能量消耗。

1 幾何模型及其數(shù)學(xué)描述

    1.1 幾何模型

    雙殼程管殼式換熱器和弓形折流板管殼式換熱器模型見圖1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。換熱器殼體內(nèi)徑D=280mm，有效長度L=1600mm，換熱管數(shù)n=67，外螺旋角β=20°，換熱管直徑為19mm，換熱管間距為25mm，內(nèi)殼體中4組折流板，每組折流板斜百葉片共3片，寬度30mm，繞其平行于長邊的中軸線旋轉(zhuǎn)傾角δ=45°。雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)由外殼、螺旋折流板、內(nèi)殼、斜百葉片折流板、內(nèi)擋板及換熱管組成，外殼程采用非連續(xù)螺旋折流板為導(dǎo)流片，內(nèi)殼程采用斜百葉片折流板為導(dǎo)流片。

（a）雙殼程管殼式換熱器 

（b）弓形折流板管殼式換熱器

    1.2 控制方程與邊界條件

    通過三維數(shù)值模擬，對雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場、流場研究。數(shù)值計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用Quick格式求解離散方程，采用Simple算法實(shí)現(xiàn)壓力和速度的耦合計(jì)算，數(shù)值計(jì)算的控制方程如下：

    連續(xù)性方程 

    動量方程   

    能量方程   

    k方程   

    ε方程  

    （2）邊界條件

    入口采用速度入口邊界條件，給定均勻流速，給定入口溫度T_in=298K和湍流度I=5%；出口采用壓力出口邊界條件；換熱管束為恒壁溫T_tube=338K，固體壁面采用不可滲透，無滑移邊界條件。計(jì)算流體區(qū)域工質(zhì)為水。

2 網(wǎng)格及有效性檢驗(yàn)

    2.1 網(wǎng)格生成及網(wǎng)格獨(dú)立性考核

    由于本文提出的新型雙殼程管殼式換熱器模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擬使用如下網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式：計(jì)算模型主體使用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在流體殼程進(jìn)出口管處使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以減少網(wǎng)格數(shù)量，管壁周圍采用自適應(yīng)加密網(wǎng)格。本文選取五套細(xì)密程度不同的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行獨(dú)立性考核。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為2352534時(shí)的計(jì)算結(jié)果與相鄰兩套網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果偏差小于1%，綜合考慮時(shí)間與計(jì)算精度，采用該套網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)性方程和動量方程中變量的相對殘差小于10e-06，能量方程中變量的相對殘差小于10e-08。

    2.2 數(shù)值模型的有效性驗(yàn)證

    本文提出的新型雙殼程管殼式換熱器目前還沒有公開發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或計(jì)算方法作為參考，因此對具有相同幾何參數(shù)的弓形折流板換熱器，在相同的運(yùn)行工況下，對其殼程流場進(jìn)行數(shù)值模擬。采用經(jīng)典的Bell—Delaware法^[19]計(jì)算其殼程壓降，結(jié)果如圖3所示。

    可以看出，數(shù)值模擬中壓降升降趨勢與Bell-Delaware法中的計(jì)算數(shù)據(jù)保持一致，兩者壓降結(jié)果最大差值小于15%，此差值是由于實(shí)際工程中存在折流板與管束及殼體間存在間隙而導(dǎo)致的漏流。壓降結(jié)果的差值在允許范圍內(nèi)，兩者結(jié)果基本吻合，說明本文所采用的計(jì)算方法可靠有效。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

    3.1 雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)的局部流場

    圖4為雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)的內(nèi)殼程局部截面流場圖，內(nèi)殼程每組斜百葉折流板片數(shù)分別為2、3、4，質(zhì)量流量M=2.5kg/m。由圖4可以看出，殼側(cè)流體由外殼程進(jìn)入內(nèi)殼程后，由于傾斜的百葉片折流板組，流體分為多股斜向沖刷管束，促進(jìn)主體流體和壁面邊界層流體充分混合，強(qiáng)化換熱，減小和部分消除了殼側(cè)流動死區(qū)；減小了流體由于橫向阻擋和突然轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生的動能損失，進(jìn)而減小其泵功消耗。當(dāng)內(nèi)殼程每組斜百葉折流板片數(shù)為2時(shí)，每組折流板缺口高度高，從其殼側(cè)流場圖可以看出其流場分布均勻，流體在通過第一組折流板組后流體流向改變并不明顯，流動死區(qū)也相對較小。當(dāng)內(nèi)殼程每組斜百葉折流板片數(shù)為3時(shí)，每組折流板缺口高度減小，從其殼側(cè)流場圖可以看出流體在通過折流板組后流體速度明顯減小，流體紊流度明顯不如其他兩者。當(dāng)內(nèi)殼程每組斜百葉折流板片數(shù)為4時(shí)，每組折流板缺口高度最小，流場圖中可以明顯看出折流板組后存在明顯渦流和流動死區(qū)，流體在折流板前后流向改變較大。

    3.2 雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)弓形折流板管殼式結(jié)構(gòu)性能比較

    雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)弓形折流板管殼式結(jié)構(gòu)的殼側(cè)壓降△P隨質(zhì)量流量的變化如圖5所示。從圖中可以看出，殼側(cè)壓降△P隨質(zhì)量流量的增大而增加，雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)在相同質(zhì)量流量下殼側(cè)壓降低于弓形折流板管殼式結(jié)構(gòu)。在本文計(jì)算范圍內(nèi)，前者殼側(cè)壓降△P平均低于弓形折流板管殼式結(jié)構(gòu)7.2%。在雙殼程管殼式的結(jié)構(gòu)中，外殼程中采用連續(xù)搭接的非連續(xù)折流板，諸多文獻(xiàn)中已經(jīng)證實(shí)，這種形式的折流板大大減小了殼側(cè)阻力，內(nèi)殼程中則采用了斜百葉片作為導(dǎo)流片，這種折流板大大減小了由于流體在折流板后方突然轉(zhuǎn)向而造成的壓降損失，與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，該結(jié)構(gòu)形式改橫向流動為縱向及螺旋流動，斜向沖刷管束，折流板處的形體阻力明顯降低，使得沿程阻力下降。為了更好地對比和分析換熱器特性的優(yōu)劣，采用相同降壓下的傳熱系數(shù)對其綜合性能進(jìn)行研究。傳熱系數(shù)h隨殼側(cè)壓降的變化如圖6所示。計(jì)算結(jié)果表明，雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)相同壓降下的傳熱系數(shù)比弓形折流板管殼式結(jié)構(gòu)平均提高了20.4%，雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)綜合性能優(yōu)于弓形折流板管殼式結(jié)構(gòu)。雙殼程管殼式換熱器流場均勻，流體縱向沖刷管束，加強(qiáng)擾動，殼側(cè)流體前后進(jìn)入外殼程和內(nèi)殼程，進(jìn)行二次換熱，加強(qiáng)傳熱。雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)具有更高的傳熱效率，其節(jié)能效果顯著。

    3.3 內(nèi)殼程斜百葉片數(shù)對雙殼程管殼式換熱器性能的影響

    圖7和圖8是內(nèi)殼程斜百葉片數(shù)N為2、3、4時(shí)總傳熱系數(shù)和壓降隨殼側(cè)質(zhì)量流量的變化圖。可以看出，隨著斜百葉片數(shù)的增加，總傳熱系數(shù)增大，殼側(cè)壓降隨之增大。當(dāng)每組折流板組片數(shù)增加，折流板組形成的缺口高度減小，折流板與內(nèi)殼體間的流通面積減小，殼側(cè)流體通過時(shí)速度增大，造成的紊流強(qiáng)烈，加強(qiáng)擾動，殼側(cè)傳熱系數(shù)提高。同時(shí)，折流板與內(nèi)殼體間的流通面積減小，殼側(cè)流體在通過折流板組時(shí)流向改變增加，殼側(cè)流體由此損耗的動能增加。

    圖9是內(nèi)殼程每組折流板片數(shù)為2片，3片，4片時(shí)的于相同壓降下的總傳熱系數(shù)的變化圖。在研究范圍內(nèi)，當(dāng)內(nèi)殼程每組折流板片數(shù)為2片時(shí)，相同壓降下的總傳熱系數(shù)最高。從上一節(jié)的分析中可知，當(dāng)內(nèi)殼程每組斜百葉折流板片數(shù)為2時(shí)，每組折流板缺口高度最高，從其殼側(cè)流場圖可以看出其流場分布均勻，流體在通過第一組折流板組后流體流向改變并不明顯，流動死區(qū)也相對較小。這些殼側(cè)流場中表現(xiàn)出的優(yōu)勢使得其綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

4 結(jié)論

    提出雙殼程外螺旋折流板內(nèi)斜百葉片管殼式換熱器，開展外殼程采用非連續(xù)螺旋折流板、內(nèi)殼程采用不同組數(shù)的斜百葉折流板的雙殼程管殼式換熱器的傳熱和阻力特性研究，主要結(jié)論如下：

    （1）雙殼程管殼式換熱器殼側(cè)流場均勻分布，流動死區(qū)小，流體紊流度強(qiáng)。

    （2）相同質(zhì)量流量下，雙殼程管殼式換熱器的壓降△P平均低于弓形折流板管殼式換熱器7.2%。相同壓降下的傳熱系數(shù)比弓形折流板換熱器平均提高20.4%。

    （3）研究范圍內(nèi)，雙殼程管殼式結(jié)構(gòu)相同壓降下的傳熱系數(shù)在每組斜百葉片數(shù)N=2時(shí)綜合性能最好。

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    備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會文集）。
              版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。