王斯民, 孫利娟, 宋 晨, 肖 娟, 簡(jiǎn)冠平, 張?jiān)缧? 文 鍵

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

1 前 言

折流桿換熱器(rod-baffle heat exchangers，RBHEs)由美國(guó)菲利普石油公司于1970年首次提出并制造，用折流柵代替折流板，有防止管束振動(dòng)，降低殼程壓降，減少流動(dòng)死區(qū)和漏流損失等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。很多學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)RBHEs(換熱管為圓管且四邊形布置，折流桿為圓桿)進(jìn)行了研究。Philiips公司GENTRY等[5-8]和中國(guó)鄭州大學(xué)熱能研究中心、董其伍等[9]和馬小明等[10]做了大量實(shí)驗(yàn)，得到了傳統(tǒng)RBHEs殼程努塞爾數(shù)Nu和摩擦系數(shù)f的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。在此基礎(chǔ)上，研究集中在改變折流桿結(jié)構(gòu)，換熱管結(jié)構(gòu)及其布管方式。實(shí)驗(yàn)方面：陳文昕[11]得出了三角形布管RBHEs經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，與現(xiàn)有的正方形布管經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式比較，結(jié)果表明三角形布管方式更優(yōu)。嚴(yán)良文等[12-13]研究了波形折流桿、三角形布管的 RBHEs，其總傳熱系數(shù)高于折流板換熱器?？姿蓾萚14]證明了層流時(shí)45°菱形折流桿的RBHEs綜合傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)RBHEs高20%。WANG等[15]發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re在2 000 ～ 4 800時(shí)，螺紋管RBHEs的傳熱系數(shù)比光管大38%，壓降相當(dāng)。模擬方面：整體模型為主，多孔介質(zhì)模型、周期性單元流道模型、周期性全截面模型、和“分段模擬，整體綜合”為輔。YANG等[16]對(duì)比了模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了多孔介質(zhì)模型和整體模型能夠同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算傳熱和壓降。劉佳駒等[17-18]對(duì)比發(fā)現(xiàn)了深槽螺旋波紋管RBHEs綜合性能優(yōu)于光管RBHEs。WANG等[19]證明波形折流桿，三角形布管的RBHEs殼程的綜合換熱性能比傳統(tǒng)RBHEs大10%。YU等[20]提出了六角形夾持和圓弧夾持式 RBHEs，結(jié)果表明六角形夾持結(jié)構(gòu)的剛度大，適用于大、重管束，傳熱效果好，但整體性能指標(biāo)低于圓弧夾持結(jié)構(gòu)。YOU等[21]使用周期單元流道模型，對(duì)比發(fā)現(xiàn)帶凹槽折流桿的RBHEs的交錯(cuò)排列形式的傳熱系數(shù)h比非交錯(cuò)排列形式提高了41.9%，壓降增大一倍，傳熱系數(shù)與壓降比(h?ΔP-1)更大。YUAN等[22]證明了RBHEs與折流板換熱器的傳熱相當(dāng)，但壓降大幅度降低。WANG等[23]證明雙殼程的h?ΔP-1比單殼程RBHEs提高了約8.9%。無(wú)論實(shí)驗(yàn)還是模擬，對(duì)RBHEs進(jìn)行換熱管結(jié)構(gòu)改進(jìn)的文獻(xiàn)很少，借鑒現(xiàn)有的縱向流管殼式換熱器傳熱管形式，基于流動(dòng)傳熱強(qiáng)化機(jī)理，本文提出用螺旋扁管代替圓管安裝在RBHEs中。對(duì)比了螺旋扁管RBHEs和圓管RBHEs殼程的流動(dòng)、傳熱和綜合性能。

2 折流桿換熱器的整體模擬

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

按照GB151-2014標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并建立了螺旋扁管RBHEs和圓管RBHEs殼程的幾何模型，如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)在入口正中心。2種模型換熱管尺寸不一樣，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)都相同。圓管的直徑是16 mm。螺旋扁管的橫截面是橢圓，長(zhǎng)軸為16 mm，短軸為8 mm，螺距為266.7 mm。管間距為22 mm；殼體內(nèi)徑是147 mm；殼體和換熱管長(zhǎng)度均為1 000 mm。折流柵間距為200 mm，雙排管間布管，沿著流動(dòng)方向被定義為第1、2、3和4個(gè)折流柵，由折流環(huán)和折流桿組成。折流環(huán)的橫截面為圓形，直徑為7.3 mm；折流桿的直徑為6 mm。螺旋扁管的長(zhǎng)軸等于圓管直徑，便于將圓管抽出后，螺旋扁管直接插入安裝。

圖1 折流桿換熱器的幾何模型Fig.1 Geometry model of RBHEs

先使用ANSYS Meshing對(duì)幾何模型進(jìn)行了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入Fluent中轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格，大大降低網(wǎng)格數(shù)量并提高網(wǎng)格質(zhì)量。對(duì)圓管RBHEs和螺旋扁管RBHEs分別進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示。圓管RBHEs模型在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到1 213 899后，換熱系數(shù)h變化低于2.56%，螺旋扁管RBHEs模型在網(wǎng)格數(shù)量高于4 928 456時(shí)，換熱系數(shù)h和變化小于1.84%。圓管和螺旋扁管RBHEs最終取定的網(wǎng)格數(shù)量分別為1 737 729和5 383 816。

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.2 Validation of mesh independence

2.2 數(shù)值方法及模型驗(yàn)證

殼程工作流體為水，假設(shè)為不可壓縮流體湍流流動(dòng)，忽略重力和水物性的變化。入口速度邊界條件，為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m?s-1，水的進(jìn)口溫度為300 K。壓力出口邊界條件。管內(nèi)為低溫沸點(diǎn)工質(zhì)冷凝，設(shè)定管壁溫度為350 K。其余壁面均為無(wú)滑移絕熱壁面。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)模型。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，動(dòng)量和能量方程均采用二階迎風(fēng)格式，湍動(dòng)能和湍流耗散率方程均采用一階迎風(fēng)格式。殘差值除能量方程需小于1×10-6，其余項(xiàng)小于1×10-3認(rèn)為收斂。標(biāo)準(zhǔn)kε模型的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

湍動(dòng)能k方程：

湍動(dòng)能耗散ε方程：

將折流桿換熱器殼程和管程同時(shí)模擬，與文獻(xiàn)[24]殼程為冷水，管程為熱水，折流柵間距為120 mm的工況所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。管程和殼程入口邊界條件為質(zhì)量流量和溫度，其余設(shè)置與上述相同。模擬和實(shí)驗(yàn)所得到換熱器總換熱系數(shù)Kh的偏差如圖3所示。Kh的最大偏差為5.63%，平均偏差為 4.06%。偏差的主要原因有模型的簡(jiǎn)化；除換熱管的其余壁面絕熱、水物性不變的假設(shè)；忽略重力的影響等。

圖3 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental and simulation results

3 結(jié)果和討論

3.1 速度分布

圖4和圖5分別為入口速度0.1和0.6 m?s-1時(shí)，折流桿換熱器X=0，YZ平面速度云圖。取速度范圍的最小值和最大值速度云圖分析，可以分析低速入口條件和高速入口條件對(duì)流場(chǎng)的影響。

圖4 入口速度vinlet為0.1 m?s-1的速度云圖Fig.4 Velocity contour at inlet velocity vinlet of 0.1 m?s-1

從圖4和5中可以看出，圓管RBHEs中的高速區(qū)和低速區(qū)相對(duì)較多，速度大小差別更大，速度分布更加不均勻。在高速入口條件下，2種模型殼程流速不均勻度的差別縮小。從流經(jīng)每個(gè)折流柵后的流場(chǎng)可以看出，圓管RBHEs中折流柵對(duì)流體的作用更大。圖中流經(jīng)第1、3和4折流柵時(shí)，由于流通截面積的減小，流速會(huì)增大，在圓管RBHEs中流速增大更明顯。在流經(jīng)第2個(gè)折流柵時(shí)，因?yàn)樗仄矫鎰偤么┻^(guò)第2個(gè)折流柵中間折流桿的中心線，受到折流桿的阻攔，速度降低并波動(dòng)，在圓管RBHEs中這種波動(dòng)更明顯。

圖5 入口速度vinlet為0.6 m?s-1的速度云圖Fig.5 Velocity contour at inlet velocity vinlet of 0.6 m?s-1

圖6和7是入口速度為0.1、0.6 m?s-1時(shí)，2種折流桿換熱器Z= -500、-550和 -600 mm，XY平面速度云圖。從Z= -500和-550 mm云圖中可以看出，螺旋扁管RBHEs的管間流速更大，速度分布更加均勻。由Z= -600 mm的云圖可以看出，圓管RBHEs流經(jīng)折流柵時(shí)的速度更大。從圖6和7中比較可以看出，高入口速度條件下，2種RBHEs速度不均勻度的差距在減小。

圖6 入口速度vinlet為0.1 m?s-1的速度云圖Fig.6 Velocity contour at inlet velocity vinlet of 0.1 m?s-1

圖7 入口速度vinlet為0.6 m?s-1的速度云圖Fig.7 Velocity contour at inlet velocity vinlet of 0.6 m?s-1

綜上，螺旋扁管RBHEs的管間速度更大，分布更加均勻，因?yàn)槁菪夤艿呐まD(zhuǎn)曲面，周期性擾動(dòng)流體，改變流體的流速和流向，加強(qiáng)了流體的縱向混合。流經(jīng)折流柵部分，圓管RBHEs的流速更大，速度波動(dòng)也更大，有3方面的原因：1是折流柵結(jié)構(gòu)相同，圓管入口流通面積小于螺旋扁管RBHEs，折流柵的存在使得流通面積減小相同，但圓管RBHEs的減小率更大。2是圓管RBHEs換熱管與折流桿的垂直相切處的流通縫隙更小。3是圓管RBHEs的圓管對(duì)流體的擾動(dòng)沒(méi)有螺旋扁管強(qiáng)，流體流經(jīng)折流柵引起的速度波動(dòng)更明顯。

圖8和圖9是入口速度為0.1、0.6 m?s-1時(shí)，2種折流桿換熱器Z= -500 mm，XY平面湍動(dòng)能云圖。由圖可見，螺旋扁管RBHEs換熱管橢圓截面兩端湍動(dòng)能很高；圓管RBHEs的湍動(dòng)能均勻度更好。螺旋扁管RBHEs湍動(dòng)能大的區(qū)域(綠色和紅色部分)更加多而且分散，在換熱管貼壁處和管間均有分布。因?yàn)槁菪夤軘_動(dòng)流體，形成了復(fù)雜的周期性流動(dòng)和混合，湍動(dòng)能增大。而圓管RBHEs在入口速度為0.1 m?s-1時(shí)，湍動(dòng)能大的區(qū)域僅分布在換熱管周圍，在入口速度為0.6 m?s-1時(shí)，在殼體貼壁處也存在，而且貼壁處的湍動(dòng)能增強(qiáng)。隨著入口速度的增大，兩種換熱器湍動(dòng)能均勻度的差別在縮小。

圖8 入口速度vinlet為0.1 m?s-1的湍動(dòng)能Fig.8 Turbulence kinetic energy contour at inlet velocity vinlet of 0.1 m?s-1

圖9 入口速度vinlet為0.6 m?s-1的湍動(dòng)能Fig.9 Turbulence kinetic energy contour at inlet velocity vinlet of 0.6 m?s-1

3.2 溫度分布

圖10～13是換熱器軸線平面(X=0，YZ平面)和徑向平面(Z= -500 mm，XY平面)的溫度云圖。從圖10和11中可以看出，流體在螺旋扁管RBHEs中的溫度低于圓管RBHEs，因?yàn)樵诼菪夤躌BHEs中的流體速度整體高于圓管，另外在圓管折流桿換熱器中的RBHEs更大，分布更不均勻，這與流場(chǎng)的不均勻度大有關(guān)。

圖10 入口速度vinlet為0.1 m?s-1的溫度云圖Fig.10 Temperature contour at inlet velocity vinlet of 0.1 m?s-1

圖11 入口速度vinlet為0.6 m?s-1的溫度云圖Fig.11 Temperature contour at inlet velocity vinlet of 0.6 m?s-1

從圖12和13可以看出，圓管RBHEs中管間的溫度高于螺旋扁管RBHEs，同樣是管間流體速度低所致。圓管換熱器管間溫度高的現(xiàn)象在0.6 m?s-1中的現(xiàn)象被減弱，因?yàn)樵诟咚偃肟跅l件下，圓管RBHEs的管間速度得到增強(qiáng)，螺旋扁管增強(qiáng)管間速度的作用被減弱。螺旋扁管RBHEs的貼近換熱管處的溫度明顯高于相同入口速度條件下圓管RBHEs，因?yàn)槁菪夤芨浇耐膭?dòng)能大于圓管附近，能夠增強(qiáng)換熱，該處流體溫度得到提高。

圖12 入口速度vinlet為0.1 m?s-1的溫度云圖Fig.12 Temperature contour at inlet velocity vinlet of 0.1 m?s-1

圖13 入口速度vinlet為0.6 m?s-1的溫度云圖Fig.13 Temperature contour at inlet velocity vinlet of 0.6 m?s-1

3.3 流動(dòng)、傳熱和綜合性能分析

圖14為圓管和螺旋扁管RBHEs殼程換熱系數(shù)h隨入口速度變化曲線圖。由圖可以看出，在低速入口條件下，螺旋扁管RBHEs的殼程傳熱系數(shù)h高于圓管RBHEs，在高速入口條件下，螺旋扁管RBHEs的h低于圓管。在入口速度0.1 m?s-1的條件下，螺旋扁管RBHEs的傳熱系數(shù)h比圓管折流桿換熱器大42.29%，在入口速度為0.6 m?s-1的條件下，比圓管RBHEs小6.63%。因?yàn)槁菪夤躌BHEs的換熱管對(duì)流體形成擾動(dòng)強(qiáng)于圓管RBHEs，而折流柵部分對(duì)流體的擾動(dòng)弱于圓管RBHEs，低入口速度條件下，加強(qiáng)換熱方面更強(qiáng)，高入口速度條件下，削弱換熱方面更強(qiáng)?？梢娐菪夤茉鰪?qiáng)流體擾動(dòng)來(lái)增強(qiáng)換熱的機(jī)理更適合用于流體速度較低時(shí)，在流體速度較高時(shí)，流體主流區(qū)流量增大，螺旋結(jié)構(gòu)影響變小。這與文獻(xiàn)[25]研究的單管螺旋扁管代替圓管增強(qiáng)換熱的方法更適用于低Re下流動(dòng)的結(jié)論一致。

圖14 傳熱系數(shù)h隨入口速度vinlet的變化Fig.14 Profiles of heat transfer coefficient h as a function of inlet velocity vinlet

圖15 壓降ΔP隨入口速度vinlet的變化Fig.15 Profiles of pressure drop ΔP as a function of inlet velocity vinlet

不同入口速度條件下RBHEs殼程壓降ΔP的變化圖如圖15所示，由圖可知，在相同入口速度條件下，螺旋扁管RBHEs的壓降低于圓管RBHEs，減少了約33.60 %。因?yàn)檎哿鳁U換熱器的壓降主要由無(wú)折流柵時(shí)的壓降和單獨(dú)由折流柵引起的壓降兩部分組成，在螺旋扁管RBHEs中，由折流柵部分引起的壓降遠(yuǎn)低于圓管RBHEs。因?yàn)閳A管RBHEs中，流經(jīng)折流柵，流速變化大，后續(xù)波動(dòng)更明顯，所造成的流動(dòng)損失更大。

圖16為螺旋扁管RBHEs和圓管RBHEs綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)(performance evaluation criteria，PEC)和兩者的比值隨不同入口速度的變化。PEC為Nu?f-1/3，Nu、f分別為換熱器殼程的努塞爾數(shù)、摩擦系數(shù)，是換熱器綜合性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。從圖中可以看出，螺旋扁管 RBHEs的綜合性能優(yōu)于圓管RBHEs。隨著速度的增大，螺旋扁管與圓管RBHEs的PEC比值從2.52降低到1.65。在0.1 m?s-1的入口速度時(shí)，螺旋扁管RBHEs的綜合性能比圓管RBHEs提高152%，在入口速度為0.6 m?s-1時(shí)，提高了65%。因?yàn)槁菪夤躌BHEs在不同入口速度條件下，雖然不一定能夠增大換熱系數(shù)，但其壓降總是低于圓管RBHEs，綜合性能更優(yōu)。

圖16 綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC及其比值隨入口速度vinlet的變化Fig.16 Profiles of comprehensive performance efficiency criteria PEC and PEC ratio as a function of inlet velocity vinlet

4 結(jié) 論

本文提出將傳統(tǒng)圓管折流桿換熱器(rod-baffle heat exchangers，RBHEs)中的換熱管改成螺旋扁管以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，建立了圓管RBHEs和螺旋扁管RBHEs的幾何模型，用數(shù)值模擬的方法，比較了兩者流動(dòng)、傳熱和綜合性能。得出以下結(jié)論：

(1) 螺旋扁管 RBHEs的螺旋結(jié)構(gòu)能夠改變流體的流速和流向，增強(qiáng)縱向混合，增大管間流體速度，使速度大小分布更加均勻，在高速入口條件下，增強(qiáng)效果被減弱。換熱管的附近，螺旋扁管RBHEs流體湍動(dòng)能更大，溫度更高。

(2) 在相同低速入口條件下，螺旋扁管RBHEs的傳熱系數(shù)h高于圓管折流桿換熱器，在相同的高速入口條件下，螺旋扁管RBHEs的h小于圓管折流桿換熱器，兩者存在交叉點(diǎn)。

(3) 在相同的入口速度條件下，螺旋扁管折流桿換熱器的壓降ΔP比圓管折流桿換熱器的降低了約33.60%。

(4) 在入口速度為0.1～0.6 m?s-1，螺旋扁管RBHEs的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC(performance evaluation criteria)比圓管RBHEs高65%～152%。低入口速度條件下，螺旋扁管RBHEs的綜合性能優(yōu)勢(shì)更明顯。

符號(hào)說(shuō)明：