祁東彬，張 健，史品佳

（1.江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠，江蘇 淮安 223200；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

在純堿生產(chǎn)過(guò)程中，碳化工序所需的反應(yīng)物之一——窯氣，在進(jìn)入碳化塔之前經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后溫度較高，為了能夠滿足碳化工序的生產(chǎn)工藝要求，通常利用立式的管殼式換熱器對(duì)窯氣進(jìn)行冷卻。

管殼式換熱器具有適應(yīng)性強(qiáng)、處理能力大、易制造、耐高溫、高壓等優(yōu)點(diǎn)［1］，但其內(nèi)部流場(chǎng)是一個(gè)不規(guī)則的三維流場(chǎng)，特別是進(jìn)氣封頭內(nèi)部氣相流場(chǎng)最為復(fù)雜，因?yàn)榉忸^進(jìn)口下端設(shè)有一塊防沖板，防沖板主要起到防止氣體對(duì)進(jìn)口下端換熱器的沖蝕和分布?xì)饬鞯淖饔茫?，3］，其對(duì)流場(chǎng)分布的影響較大，數(shù)學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)研究很難對(duì)其進(jìn)行表述。近幾年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)在流場(chǎng)的數(shù)值模擬方面發(fā)展迅速［4］，能夠較為全面地對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究［5－7］，為設(shè)備在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)依據(jù)。因此，本文采用CFD技術(shù)中的FLUENT軟件對(duì)立式管殼式換熱器進(jìn)氣封頭內(nèi)部含二氧化碳濃度為42%窯氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 模型建立

1.1 湍流模型

FLUENT軟件對(duì)于湍流的求解模型主要有標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型、RNG k－ε模型、RSM模型。其中RSM模型主要用于處理旋流場(chǎng)，而且計(jì)算量較大［8］；k－ε模型是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出來(lái)的，其中ε方程由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的，易用于處理簡(jiǎn)單的湍流場(chǎng)［9］；RNG k－ε模型是在k－ε模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，并可用于低雷諾數(shù)流動(dòng)的情況［10］。管殼式換熱器進(jìn)氣封頭內(nèi)部氣相流場(chǎng)屬于復(fù)雜的湍流場(chǎng)，但并不屬于復(fù)雜的氣旋場(chǎng)，所以本文選擇RNG kε湍流模型。連續(xù)相氣體的流動(dòng)過(guò)程可以用連續(xù)性方程和Navier－Stokes方程來(lái)表述：

連續(xù)性方程：

式中：ui，uj（i，j，＝1，2，3）為各時(shí)均速度分量；xi（i＝1，2，3）代表各坐標(biāo)分量；p 為流體的時(shí)均壓力；μ是流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；ρ是流體密度。

1.2 物理模型

本文選用φ1000管束的立式管殼式換熱器作為研究對(duì)象［11］，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示，管殼式換熱器中換熱管束上平面A－A分布圖及進(jìn)氣口下端的防沖板的分布示意圖如圖1（b）所示。圖1（a）中換熱器截面B－B以上部分的氣相流場(chǎng)將作為本次數(shù)值模擬研究所需建立的三維實(shí)體模型，其中B－B截面與A－A截面的軸向距離為100mm。

對(duì)于模型的建立，首先根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸（包括防沖板的設(shè)計(jì)尺寸、換熱管的結(jié)構(gòu)分布及尺寸），使用三維建模軟件UG對(duì)圖1中界面BB以上的氣相流場(chǎng)進(jìn)行建模，再將建好的模型導(dǎo)入ICEM CFD軟件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，劃分好的網(wǎng)格圖形如圖2所示。

圖1 立式管殼式換熱器整體結(jié)構(gòu)及局部分布示意圖

圖2 網(wǎng)格模型

2 數(shù)值算法及邊界條件設(shè)置

將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLUENT軟件中進(jìn)行求解，由于模型較大，空間離散化選項(xiàng)中壓力類(lèi)型選為PRESTO，求解器為壓力耦合求解器，采用SIMPLEC算法處理壓力－速度耦合，壁面的邊界網(wǎng)格采用無(wú)滑移網(wǎng)格，換熱器進(jìn)口使用流速入口的邊界條件，流速為55.29m／s（參照實(shí)際流量為25 000m3／h）。

3 結(jié)果與討論

本文對(duì)管殼式換熱器進(jìn)氣封頭建立三維模型時(shí)，將三維參考坐標(biāo)系原點(diǎn)（X＝Y(jié)＝Z＝0）設(shè)立在換熱管束的上表面A－A截面中心處，坐標(biāo)系中Z軸與立式管殼式換熱器中心軸共線，坐標(biāo)系各軸線方向見(jiàn)圖1。在模擬結(jié)果分析過(guò)程中，將從模型中提取一個(gè)截面和兩條直線，截面：Y－Z截面，兩條直線：Y－Z截面與Z＝－50截面的交線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)交線line＝－50）、Y－Z截面與Z＝－100截面的交線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)交線line＝－100），通過(guò)以上兩個(gè)截面和交線上的壓力和速度分布情況對(duì)氣相流場(chǎng)進(jìn)行分析研究。

圖3（a）和圖3（b）分別顯示的是Y－Z截面上的壓力分布云圖及軸向速度矢量分布圖。從兩幅圖中可以直觀的看出，封頭內(nèi)氣相流場(chǎng)具有較好的對(duì)稱(chēng)性，這與防沖板布置的對(duì)稱(chēng)性具有一定的關(guān)系。從圖3（a）壓力分布云圖中能夠發(fā)現(xiàn)，封頭內(nèi)壓力最大的區(qū)域位于防沖板的上部中心處，該區(qū)域的平均壓力在0.347MPa左右；壓力最小的區(qū)域集中在防沖板的下部靠近封頭器壁處，該區(qū)域在封頭內(nèi)是個(gè)環(huán)形區(qū)域，壓力數(shù)值在0.31MPa左右。其實(shí)，壓力較小環(huán)形區(qū)域的形成主要是由于該位置存在較大的渦流，這一點(diǎn)能夠從圖3（b）中得到應(yīng)證，這個(gè)渦流圍繞中心軸具有很好的對(duì)稱(chēng)性，渦流的旋轉(zhuǎn)方向是由內(nèi)向外。這個(gè)較大渦流的存在對(duì)氣流場(chǎng)具有一定的破壞性，使氣流在流動(dòng)中增加能量損耗，也就是所謂的渦流損耗，最終導(dǎo)致壓降增大。

圖3 Y－Z截面壓力及速度分布圖

圖4展現(xiàn)的是局部區(qū)域軸向速度矢量分布散點(diǎn)圖，從圖中能夠很清晰地觀察出，在這部分換熱管入口下部區(qū)域存在一定強(qiáng)度的渦流，這些渦流的形成主要是由于封頭內(nèi)部大渦流場(chǎng)在局部換熱管入口處形成的負(fù)壓。而這些受到負(fù)壓影響的換熱管，其氣體流量肯定會(huì)受到一定的影響，這部分換熱管的大概分布位置將在圖5中得到分析闡述。

圖5（a）和圖5（b）分別顯示的是交線line＝－50和交線line＝－100上的軸向速度分布散點(diǎn)圖。在圖5（a）中，能夠看到有部分速度矢量大于零的散點(diǎn)，這說(shuō)明部分氣體的流向是沿軸線向上的，該結(jié)果與圖4所闡述的局部換熱管入口下部形成渦流的現(xiàn)象是一致的。同時(shí)，通過(guò)圖5（a）能夠確定入口下端形成渦流的換熱管主要分布在徑向半徑為240mm至400mm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，而在圖5（b）中并未發(fā)現(xiàn)速度矢量大于零的散點(diǎn)存在，這也就說(shuō)明這些渦流存在的軸向范圍在0～100mm內(nèi)。

圖4 局部軸向速度矢量分布散點(diǎn)圖

從圖5（a）和圖5（b）中還能發(fā)現(xiàn)，軸向速度（氣體流量）最大的換熱管位于徑向半徑為100mm左右的區(qū)域內(nèi)，軸向速度（氣體流量）最小的的換熱管位于徑向半徑為300mm左右的區(qū)域內(nèi)，這兩個(gè)區(qū)域的軸向速度差隨著軸向距離的增大而增大。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)設(shè)有防沖板的立式管殼式換熱器封頭內(nèi)部氣體流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）封頭內(nèi)壓力最大的區(qū)域位于防沖板的上部中心處，該區(qū)域的壓力平均值在0.347MPa左右；壓力最小的區(qū)域集中在防沖板的下部靠近封頭器壁處，壓力數(shù)值在0.31MPa左右。

2）防沖板下部氣相流場(chǎng)形成了一個(gè)較大環(huán)形的漩渦流場(chǎng)，這個(gè)較大渦流的存在對(duì)氣流場(chǎng)具有一定的破壞性，使氣流在流動(dòng)中加大能量損耗，也就是所謂的渦流損耗，最終導(dǎo)致壓降增大。對(duì)此，可以從防沖板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，使得封頭內(nèi)部的氣相流場(chǎng)更加平穩(wěn)。

3）徑向半徑在240mm至400mm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)分布的換熱管入口下端形成了一定強(qiáng)度的渦流，且渦流的軸向范圍在100mm以?xún)?nèi)，這些渦流的存在影響了換熱管內(nèi)的氣體流量。

4）換熱器換熱管束中，軸向速度最大的換熱管位于徑向半徑為100mm左右的區(qū)域內(nèi)，軸向速度最小的的換熱管位于徑向半徑為300mm左右的區(qū)域內(nèi)，這兩個(gè)區(qū)域的軸向速度差隨著軸向距離的增大而增大。

圖5 直線上的速度分布散點(diǎn)圖

［1］ 王萌萌，李彩霞，許世峰，等.管殼式換熱器的設(shè)計(jì)［J］.化工機(jī)械，2014，41（6）：754－756

［2］ Krishna P.Singh.防沖板在管殼式換熱器內(nèi)的合理布置［J］.化工煉油機(jī)械，1975，4：93－95

［3］ 劉月芹.淺談?chuàng)Q熱器防沖板［J］.化工設(shè)備與管道，2002，39（5）：20－25

［4］ 張師帥.計(jì)算流體力學(xué)及其應(yīng)用—CFD軟件的原理與應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011

［5］ 劉磊，宋天民，管建軍.基于FLUENT的管殼式換熱器殼程流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析［J］.輕工機(jī)械，2002，30（1）：18－21

［6］ M.V.Ghori ＆ R.K.Kirar.Numerical Analysis of Tube－Fin Heat Exchanger using Fluent［J］.International Journal on Theoretical and Applied Research in Mechanical Engineering，2012，1（2）：37－44

［7］ 謝洪虎，江楠.管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)和傳熱的數(shù)值模擬［J］.化學(xué)工程，2009，37（9）：9－12

［8］ 費(fèi)祥麟，等.高等流體力學(xué)［M］.陜西：西安交通大學(xué)出版社，1989

［9］ 李澤昌.旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相數(shù)值模擬研究［J］.安裝，2013，（6）：62－64

［10］ V.Yakhot，S.A.Orszag.Development of Turbulence Models for Shear Flows by adouble Expansion Technique.Physics.Fluids A，1992，Vo1.4，No.7：1510－1520

［11］ 全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)GB151－1999管殼式換熱器［S］.北京國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1999