文鍵,楊輝著,王斯民,薛玉蘭,杜冬冬

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 710049, 西安; 2.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院, 710049, 西安)

旋梯式螺旋折流板換熱器優(yōu)化結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

文鍵1,楊輝著1,王斯民2,薛玉蘭1,杜冬冬1

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 710049, 西安; 2.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院, 710049, 西安)

針對現(xiàn)有螺旋折流板換熱器在相鄰兩塊折流板的直邊對接處形成三角區(qū)漏流而降低換熱器換熱性能的問題,提出了一種旋梯式螺旋折流板換熱器,即旋梯式折面折流板由一塊大平板經(jīng)過兩次彎折后形成,其中兩平面與管束軸線垂直,另一平面與兩平面的夾角(折彎角)相同。對旋梯式螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)進行了計算流體力學(xué)模擬優(yōu)化,結(jié)果表明:利用折面板結(jié)構(gòu)及直邊重疊特點,消除了三角區(qū)漏流,改善了殼程流場,使得換熱器殼程流體流動更接近于螺旋流,換熱得以強化;折彎度為0.3、切割百分數(shù)為90%、折彎角為37°時,旋梯式螺旋折流板換熱器綜合性能最優(yōu),換熱器熱性能因子提高了28.4%～30.7%,平均增加了29.9%。該結(jié)果可為螺旋折流板換熱器的節(jié)能優(yōu)化提供參考。

旋梯式螺旋折流板換熱器;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;三角漏流;換熱強化

當(dāng)前的螺旋折流板換熱器主要采用4塊扇形折流板相互對接的結(jié)構(gòu)形式,使流體在殼程形成近似的螺旋狀流動,這樣基本上消除了傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的流動死區(qū)和節(jié)流,特別適用于要求低壓降、低污垢累積沉淀以及小誘導(dǎo)振動的情況,可以實現(xiàn)換熱器長周期高效率運行[1-2]。然而,這種結(jié)構(gòu)的螺旋折流板換熱器在相鄰兩塊折流板的直邊對接處會形成明顯的三角區(qū)漏流,從而分流了主螺旋流道的介質(zhì)流量,降低了介質(zhì)流速和換熱器的換熱性能。另外,由4塊折流板組成一個螺旋周期的結(jié)構(gòu)安裝困難,管束圓度和同心度不易保證,管束剛度也不太好。針對以上問題,本文提出了一種新型旋梯式螺旋折流板換熱器,其利用了折面板結(jié)構(gòu)及直邊重疊特點,只需用兩塊旋梯式折面折流板就能組成一個周期,定位和安裝更加簡單,可以保證換熱器管束的圓度和同心度。通過采用計算流體力學(xué)(CFD)方法對新型換熱器進行數(shù)值研究,對換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

1 換熱器流場的數(shù)值模擬

1.1 旋梯式螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)

(a)扇形折流板

(b)旋梯式折面折流板

原始的扇形折流板由標(biāo)準(zhǔn)橢圓切割得到,折流板的兩直邊相等并與標(biāo)準(zhǔn)橢圓的短軸對稱,折流板夾角大于90°且隨螺旋角的不同而變化(見圖1)。每塊折流板與殼體軸線之間的夾角相同,在換熱器殼體橫截面上投影角為90°。旋梯式折面折流板由一塊大平板經(jīng)過兩次彎折后形成,其中包含3個平面板(見圖1),平面A和C與管束軸線垂直,平面B與平面A和C的夾角相同,稱為折彎角α。折彎處到圓心距離S與圓半徑R的比值為折彎度φ=S/R。折流板在殼體橫截面的投影圓,其切割部分的高度L與R的比值稱為切割百分數(shù)ω=L/R。換熱器管束中折流板的安裝如圖2所示。換熱器殼體的內(nèi)徑為250 mm,長度為2 500 mm;換熱管數(shù)為57,管外徑與管間距分別為19、25mm,且呈正方形排列。

(a)扇形折流板

(b)旋梯式折面折流板

1.2 基本方程和邊界條件

本文采用的經(jīng)過重整化群處理的RNGκ-ε湍流模型,適用于高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動,可以提高預(yù)測螺旋流的精度[3-4]。有關(guān)物理量的通用控制方程為

(1)

當(dāng)通用變量γ不同時,式(1)可以表示連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和k-ε方程,廣義擴散系數(shù)Γγ和廣義源項Sγ也分別對應(yīng)各自方程中的值。

模擬計算時采用FLUENT 14.5進行,換熱管表面定義為定壁溫(T=303.15K)邊界條件,折流板為默認的耦合邊界條件,其余各固體壁面定義為不可滲透、無滑移絕熱條件。近壁面求解采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),入口采用速度入口,大小根據(jù)入口的體積流量變化計算,溫度固定為343.15K,出口為壓力出口,殼程流體為導(dǎo)熱油。

1.3 網(wǎng)格生成與數(shù)值方法

旋梯式螺旋折流板換熱器的幾何模型由三維軟件solidworks生成,該換熱器網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,采用ICEM CFD生成。為提高網(wǎng)格質(zhì)量,對生成的網(wǎng)格進行了網(wǎng)格自適應(yīng)處理和網(wǎng)格獨立性驗證,以保證計算結(jié)果準(zhǔn)確,計算時間縮短。旋梯式螺旋折流板換熱器網(wǎng)格單元數(shù)為6 573 025,扇形折流板換熱器網(wǎng)格單元數(shù)為6 482 508。壓力速度耦合采用SIMPLE算法進行,動量、能量以及湍流因子均使用二階迎風(fēng)格式。能量方程的計算殘差控制在1×10-8,其他參數(shù)的殘差控制在1×10-4。計算機內(nèi)存為63.9 GB。每一種工況計算耗時大約為24 h。

1.4 數(shù)值模擬的有效性驗證

為了驗證數(shù)值模擬的正確性,對文獻[5]與本文換熱器具有相同參數(shù)模型的冷態(tài)實驗扇形螺旋折流板換熱器進行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,殼程壓降的模擬值與實驗結(jié)果的變化趨勢吻合良好,證明了數(shù)值模擬的正確性,但是各流量下模擬值比實驗值大2～4 kPa(見圖3),兩者最大的偏差為12%,平均偏差為6.7%。產(chǎn)生偏差的原因主要是,模擬過程中物理模型和邊界條件過于簡化,以及實驗測量不確定等,特別是模擬時忽略了殼體內(nèi)壁與管束之間,以及管子與折流板之間的漏流的緣故。

圖3 殼程壓降的實驗值與模擬值對比

1.5 換熱器殼體內(nèi)流場的分布特征

換熱器殼體縱截面上流體的速度分布如圖4所示。為清楚顯示,圖中選擇了換熱器中間充分發(fā)展段上的幾個周期。由圖4可知,在殼體外側(cè)和中心區(qū)域流體速度較大,在折流板背面流體速度較小。此外,旋梯式螺旋折流板換熱器中流體的速度明顯比扇形螺旋折流板換熱器大。扇形螺旋折流板換熱器中殼體外側(cè)和中心區(qū)域流體軸向速度較大,說明此區(qū)域存在明顯的軸向漏流,泄漏很嚴(yán)重。旋梯式螺旋折流板換熱器中殼體外側(cè)流體沒有軸向流線且速度較大,說明此處流體為繞殼體的強螺旋流,流體切向速度很大,由此泄漏被消除。流體在整個縱截面上的徑向速度比較大,二次流(垂直于管束的徑向流動)非常顯著。

(a)扇形折流板

(b)旋梯式折面折流板

螺旋折流板換熱器的殼程流體的流動方式為近似的螺旋狀,可以分解為縱向和橫向沖刷管束的速度,前者沿管束軸向流動,后者繞管束旋轉(zhuǎn)流動,分別定義為

VL=Va

(2)

(3)

式中:VL是縱向速度,m·s-1;VT是橫向速度,m·s-1;Va是軸向速度,m·s-1;Vr是徑向速度,m·s-1;Vt是切向速度,m·s-1。

表1為換熱器殼體橫截面上縱向速度和橫向速度的平均值。橫截面1、2、3為換熱器一個周期中典型的3個位置,分別位于一個周期的最前端、1/4周期和1/2周期處,如圖5所示。由表1可知,扇形螺旋折流板換熱器的縱向平均速度略小于旋梯式螺旋折流板換熱器,橫向速度明顯小于旋梯式螺旋折流板換熱器。橫向沖刷管束的速度可以使徑向的速度梯度增大并進一步破壞邊界層,產(chǎn)生二次流,增加流體擾動,進而強化換熱。

表1 換熱器殼體橫截面上速度分量及其平均值

(a)截面1 (b)截面2 (c)截面3

2 旋梯式折面折流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

螺旋折流板換熱器的性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān),結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會影響換熱器內(nèi)流體的流動,從而影響換熱器的換熱和阻力性能。本文根據(jù)旋梯式折面折流板結(jié)構(gòu)特點,對折彎度、切割百分數(shù)及折彎角進行了優(yōu)化設(shè)計。

2.1 折彎度的影響

旋梯式螺旋折流板換熱器的折彎度大小直接影響折流板平面A和C的大小,進而影響殼程流體的橫向速度,影響換熱器的性能。本文的3個換熱器折彎度分別為0.7、0.5、0.3,對應(yīng)的旋梯式折面折流板平面A和平面C由1排、2排、3排管子穿過,如圖6所示。

(a)φ=0.7 (b)φ=0.5 (c)φ=0.3

不同折彎度換熱器的殼程換熱系數(shù)和殼程壓降隨體積流量的變化如圖7、8所示。由圖7、8可見,在相同體積流量下,隨著折彎度的減小,殼程換熱系數(shù)和殼程壓降均增加,但增加幅度隨著流量的增加而減小。折彎度從0.7減小到0.3時,殼程換熱系數(shù)增加了7.3%～8.4%,壓降增加了14%～15.7%。折彎度減小,平面A和C增大,流體橫向速度增大,切向速度和徑向速度增加,這更有利于流體垂直沖刷換熱管,形成二次流,破壞邊界層,從而強化換熱,同時,擾動加強也帶來了更大的壓降。

圖7 折彎度對殼程換熱系數(shù)的影響

圖8 折彎度對殼程壓降的影響

不同折彎度下?lián)Q熱器綜合性能Nu/f1/3隨體積流量的變化如圖9所示。由圖9可見,隨著折彎度的減小,換熱器綜合性能增強。折彎度為0.3時,換熱器綜合性能最好;折彎度為0.3、0.5時,換熱器綜合性能較接近。折彎度減小,傳熱系數(shù)提高,壓降加大,但是折彎度減小也使旋梯式折面折流板平面B的傾斜度增加,由此增加了管孔加工的難度。所以,可以認為折彎度為0.3～0.5時,換熱器的綜合性能較好。

圖9 折彎度對綜合性能的影響

2.2 切割百分數(shù)的影響

扇形折流板換熱器在兩塊折流板直邊搭接處會產(chǎn)生三角區(qū)漏流,而旋梯式螺旋折流板換熱器在折流板平面B的直邊處加寬,加寬部分重疊,由一排或幾排換熱管穿過,從而消除了中心三角區(qū)泄漏。為研究加寬寬度對換熱器性能的影響,選擇了折彎度為0.3,切割百分數(shù)分別為100%、90%和80%的3種結(jié)構(gòu)的換熱器,其折流板平面直邊重疊分別為直邊未重疊、由一排管子穿過和由兩排管子穿過,如圖10所示。

(a)ω=100% (b)ω=90% (c)ω=80%

不同切割百分數(shù)下?lián)Q熱器殼程換熱系數(shù)和殼程壓降隨體積流量的變化如圖11、12所示。由圖11、12可見,在相同體積流量下,隨著切割百分數(shù)的減小,殼程換熱系數(shù)先增加后減小,殼程壓降增加。切割百分數(shù)減小使殼體橫截面減小,相同體積流量下流體的橫向流速增大,湍流程度較大,從而導(dǎo)致壓降增加,傳熱強化。隨著切割百分數(shù)減小,橫截面進一步增加,這容易在折流板背面形成流動死區(qū)而影響換熱,所以優(yōu)化切割百分數(shù)具有重要意義。

圖11 切割百分數(shù)對殼程換熱系數(shù)的影響

圖12 切割百分數(shù)對殼程壓降的影響

不同切割百分數(shù)下?lián)Q熱器綜合性能隨體積流量的變化如圖13所示。由圖13可見,換熱器綜合性能隨切割百分數(shù)的減小先增加后減小。切割百分數(shù)為90%時性能最好,為80%時性能最差,即折流板直邊由一排管子穿過時換熱器性能最好,由兩排管子穿過時換熱器性能反而不如折流板直邊未重疊時。不同管徑的換熱器,即不同管排寬度的換熱器性能也有所不同,選擇切割百分數(shù)這種無量綱數(shù)可以同時考慮換熱器管徑和直邊加寬寬度的影響,所以可以認為切割百分數(shù)為90%時性能最好。

圖13 切割百分數(shù)對綜合性能的影響

2.3 折彎角的影響

螺旋折流板換熱器螺距對換熱器性能具有重要的影響,很多研究者發(fā)現(xiàn)扇形螺旋折流板換熱器最佳的螺旋角為40°[6-7]。旋梯式折面折流板折彎角會影響到換熱器的螺距,進而影響換熱器的性能。折彎度為0.3、切割百分數(shù)為90%時,本文研究了折彎角(30°,33°,37°,41°,45°)對換熱器性能的影響。不同折彎角下?lián)Q熱器殼程傳熱系數(shù)和殼程壓降隨體積流量的變化如圖14、15所示。由圖14、15可見,殼程傳熱系數(shù)和殼程壓降隨著折彎角的增加逐漸減小。折彎角增加,換熱器螺距增加,殼程流體流通橫截面增加,橫向速度減小,換熱系數(shù)和壓降減小。

圖14 折彎角對殼程換熱系數(shù)的影響

圖15 折彎角對殼程壓降的影響

不同折彎角下?lián)Q熱器綜合性能隨體積流量的變化如圖16所示。由圖16可見,換熱器綜合性能隨折彎角的增大先增加后減小。隨著折彎角逐漸增加,螺距增加,殼程流體速度減小,湍流減弱,換熱系數(shù)減小。隨著折彎角增大,壓降先迅速減小后緩慢減小。當(dāng)折彎角為37°時,換熱器綜合性能最好。

圖16 折彎角對綜合性能的影響

3 換熱器綜合性能

通過上面的優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)折彎度為0.3、切割百分數(shù)為90%、折彎角為37°時,旋梯式螺旋折流板換熱器綜合性能最優(yōu)。為此,采用此結(jié)構(gòu)參數(shù)下的旋梯式螺旋折流板換熱器與殼程結(jié)構(gòu)、布管方式及螺距相同的扇形折流板換熱器進行了性能對比。

3.1 殼程換熱系數(shù)的比較

兩種結(jié)構(gòu)換熱器在相同工況下殼程換熱系數(shù)的對比如圖17所示。由圖17可見,兩種換熱器的殼程換熱系數(shù)均隨著殼程流量的增加而增大,但在相同殼程流量下,旋梯式螺旋折流板換熱器的總換熱系數(shù)均大于扇形螺旋折流板換熱器,且隨著殼程體積流量的增加,兩者的總換熱系數(shù)差值增大,增加了82.8%～86.1%。由于旋梯式螺旋折流板換熱器的折流板平面B直邊重疊及相鄰兩塊折流板平面A、C密閉連接,所以三角漏流消除。又因平面A、C與管束垂直,使得流體橫向、徑向速度增大,二次流形成,從而換熱得到強化。

圖17 兩種結(jié)構(gòu)換熱器的殼程換熱系數(shù)隨體積流量的變化

3.2 殼程壓降的比較

兩種換熱器在相同工況下殼程壓降的對比如圖18所示。由圖18可見,旋梯式螺旋折流板換熱器的殼程壓降均大于扇形螺旋折流板換熱器,且隨著殼程體積流量的增加,壓降的差值隨之增大,但是增加的百分數(shù)基本不變,不同流量下壓降增加了188.4%～189.1%。由于旋梯式螺旋折流板換熱器的三角漏流消除,使得流體的橫向流速增加,湍流程度加大,壓降增加。雖然圖18中壓降增加的幅度較大,該壓降增量使得泵耗功率增加了20.8～549.2 W,但是在工業(yè)中該泵功消耗仍很小[8]。

圖18 兩種結(jié)構(gòu)換熱器的殼程壓降隨體積流量的變化

3.3 熱性能因子

熱性能因子大于1,表示在相同功耗下改進結(jié)構(gòu)能傳遞更多的熱量,達到了強化換熱的效果。該值越大,綜合性能越好,工業(yè)實用價值越大。

熱性能因子隨體積流量的變化如圖19所示。由圖19可見,熱性能因子均大于1,在1.284～1.307之間,說明優(yōu)化后的旋梯式螺旋折流板換熱器的綜合性能較扇形螺旋折流板換熱器提高顯著,提高了28.4%～30.7%,平均提高了29.9%。

圖19 熱性能因子隨體積流量的變化關(guān)系

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法,研究了旋梯式螺旋折流板換熱器殼程的流場特點,并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化,所得結(jié)論如下。

(1)旋梯式折面折流板具有折面板結(jié)構(gòu)及直邊重疊特點,可消除換熱器三角區(qū)漏流,改善殼程流場,其與扇形螺旋折流板換熱器相比,殼程橫向速度明顯提高,流體流動更接近連續(xù)的螺旋流動。

(2)隨著折彎度的減小,旋梯式螺旋折流板換熱器綜合性能增強;隨切割百分數(shù)的減小,綜合性能先增強后減弱;隨折彎角的增大,綜合性能先增強然后減弱。

(3)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)折彎度為0.3、切割百分數(shù)為90%和折彎角為37°時,旋梯式螺旋折流板換熱器綜合性能最優(yōu)。相比于扇形螺旋折流板換熱器,旋梯式螺旋折流板換熱器熱性能因子提高了28.4%～30.7%,平均提高了29.9%。

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(編輯 苗凌)

NumericalSimulationforConfigurationOptimizationofHeatExchangerwithHelicalBaffles

WEN Jian1,YANG Huizhu1,WANG Simin2,XUE Yulan1,DU Dongdong1

(1.School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.School of Chemical Engineering and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

An improved structure of heat exchangers with ladder-type fold baffle is proposed to eliminate the triangular leakage zones between two adjacent baffles of conventional heat exchangers with helical baffle.The improved ladder-type fold baffle is formed by folding one plane twice, which consists of three planes, two of which are perpendicular to the tube bundle axis, and the third plane keeps the same angle with the other two planes.The configuration of the ladder-type fold baffle is optimized with CFD simulation.The results show that the triangular leakage zones are eliminated due to the folded plane structure and the overlap between two adjacent straight edges of ladder-type fold baffles.The shell-side flow field is improved significantly, which forms a continuous spiral flow in shell side of the improved heat exchanger, hence heat transfer in the heat exchanger is strengthened.When the bend degree is taken as 0.3, the cutting percentage as 90% and the bend angle as 37°, the overall performance of heat exchanger reaches the best.The thermal performance factor rises by 28.4%-30.7%, or 29.9% on an average.

heat exchanger with ladder-type helical baffles; configuration optimization; triangular leakage; heat transfer enhancement

2014-01-08。

文鍵(1976—),女,副教授;王斯民(通信作者),男,講師。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51106119,81100707);教育部博士點基金資助項目(20110201120052);“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAA08B03);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目。

時間:2014-09-01

10.7652/xjtuxb201411002

TK124

:A

:0253-987X(2014)11-0008-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140901.1009.002.html