劉紅姣，徐文鑫，唐柳華，閔珉，晉梅

（1. 江漢大學智能制造學院，湖北 武漢 430056；2. 武漢過控科技有限公司，湖北 武漢 430084）

列管式換熱器作為流程工業(yè)領域中應用最廣泛的換熱設備之一，結構簡單、緊湊，能承受高溫高壓，制造費用低[1]。U 型列管式換熱器，采用一塊管板固定U 形換熱管的兩端，其熱補償性能好[2]。但傳統(tǒng)的列管換熱器一般采用單弓形折流板，殼程流體容易在折流板背面形成流動死區(qū)，傳熱效率低，且由于折流板的折返作用，殼程壓降比較大[2-3]。本文從改善殼程流體流動狀況、強化傳熱的角度出發(fā)，通過進一步優(yōu)化折流板結構，提高U 型列管換熱器的綜合性能，推動換熱器自身性能的優(yōu)化及其在相關行業(yè)領域的高效應用。

目前，國內(nèi)外不少學者為提高列管式換熱器的綜合性能，如喻九陽、熊智強[4]等將單弓形折流板開孔與未開孔進行了對比試驗，結果表明在折流板上開孔，不僅降低了殼程流體的流動阻力，也在一定程度上提高了換熱器殼程的傳熱效率。謝國雄等[5]通過對管殼式換熱器弓形折流板開孔前后的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在弓形折流板上開孔比未開孔時換熱器殼側傳熱效率可提高5.4%，壓力下降7.3%。錢才富等[6]采用數(shù)值模擬方法，研究了弓形折流板上開直徑不同的大小圓孔時，選擇合適的孔直徑和板間距有利于提高換熱器的殼程傳熱效率，降低殼程壓降。

上述文獻研究表明，開孔折流板結構有利于提高列管式換熱器的綜合傳熱性能，但目前對開孔折流板結構的研究都集中在普通列管式換熱器中，還未有開孔折流板結構應用于U 管式換熱器的研究。本文采用數(shù)值模擬的方法，重點研究開孔折流板U 管式換熱器殼側流體的流動、傳熱及阻力特性，探討折流板開孔對U 管換熱器綜合性能的影響規(guī)律，以期為提高傳統(tǒng)弓形折流板U 管換熱器的綜合性能提供參考與借鑒。

1 開孔折流板U管換熱器模型

1.1 幾何模型的建立

本文研究的U 管換熱器試驗裝置如圖1 所示，其主要工藝尺寸如表1 所示。不考慮折流板與筒體、換熱管與折流板之間的間隙，簡化后的U 管式換熱器幾何模型如圖2 所示。弓形折流板上所開圓孔的直徑均為5 mm，其中a為折流板的開孔率，即每塊弓形折流板上除去換熱管以外的開孔總面積與弓形折流板上除去換熱管孔的總面積之比，參見文獻[7]，四種不同開孔率下的開孔方案如圖3 所示。

圖1 U 管換熱器試驗裝置Fig.1 Test apparatus of U tube heat exchanger

圖2 U 管換熱器幾何結構示意圖Fig.2 Geometry structure of U tube heat exchanger

圖3 四種不同開孔率下折流板開孔方案圖Fig.3 Opening scheme under 4 different opening ratios

表1 U 管換熱器的結構參數(shù)Table 1 Structure parameters of U tube heat exchanger

1.2 網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格獨立性驗證

本文僅針對U 管換熱器殼程流域進行研究，采用四面體網(wǎng)格，在所開小孔（除管孔外）邊界區(qū)域設置5 層平滑過渡膨脹層，增長率為1.2。為了確保網(wǎng)格的獨立性，針對開孔率a= 0.177 的U 管換熱器殼程流域分別建立了網(wǎng)格數(shù)為 210 萬、320 萬、410萬和520 萬的四種網(wǎng)格模型。在流量為0.70 kg/s 時，通過模擬計算四種不同網(wǎng)格模型下的殼程傳熱系數(shù)，結果表明410 萬和520 萬兩種網(wǎng)格模型下殼程傳熱系數(shù)計算結果相差小于2%，考慮到計算精度和效率問題，最后選擇網(wǎng)格數(shù)為400 萬左右進行模擬計算。U管換熱器殼程流域三維網(wǎng)格模型如圖4 所示。

圖4 換熱器殼程流域網(wǎng)格模型圖Fig.4 Grid diagram of shell-side for heat exchanger

1.3 模擬條件設置及數(shù)值模擬方法

對U 管換熱器殼程流體域進行邊界條件的設置。入口采用速度邊界條件，殼側流體為水，入口溫度為298 K，入口段湍流的水力直徑為0.03 m。殼程出口采用壓力邊界條件。換熱管外壁壁面定義為無滑移的恒溫壁面，溫度為353 K。殼體的內(nèi)壁面、折流板面等均定義為不可滲透、無滑移的絕熱邊界。忽略折流板與殼體內(nèi)壁間隙，忽略折流板管孔間隙與漏流。

換熱器殼程流體流動傳熱過程遵循質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒定律。穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體三個基本的控制方程如下：

針對列管換熱器殼程流體流動特點[7]，計算模型選擇標準的k-ε模型。

式中k——湍流動能；

ε——湍流耗散率；

Gk——平均的速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項；

Gb——浮力引起的湍動能產(chǎn)生項；

Ym—— 可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

μi——湍流黏度；

C1ε、C2ε、C3ε——分別為1.44、1.92、0.09；

σk和σε普朗特數(shù)—— 分別為1.0 和1.3；

Sk和Sε——源項[7-11]。

本模型計算采用3D 雙精度求解器，求解算法采用基于壓力的隱式求解，壓力與速度的耦合計算采用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE 算法[12]。能量、動量以及湍流參量的求解均采用二階迎風格式。固體域設置為結構鋼，殼程流體為液態(tài)水，物性參數(shù)為等效溫度下的常數(shù)。假設入口速度均勻分布，重力影響設置成Z軸方向-9.81。

2 數(shù)值模擬模型驗證

為驗證數(shù)值模型的可靠性，本文以武漢過控科技有限公司U 管換熱器作為研究對象，其試驗裝置如圖1 所示。本試驗裝置管程和殼程流體均為水，管程熱水入口溫度為353 K，殼程冷水入口溫度為298 K，換熱器管程和殼程出入口處分別設置了溫度和壓力傳感器探頭。試驗時，熱水在熱水箱被加熱后，經(jīng)離心泵送至換熱器管程入口，采用超聲波流量計測取熱水的流量，在換熱器換熱后流回熱水箱；冷水從冷水箱經(jīng)過離心泵送至換熱器殼程入口，采用超聲波測取冷水流量，經(jīng)換熱器換熱和冷風機降溫后回到冷水箱。試驗過程中保持管程流量不變，調(diào)整殼程流量，間隔2 s 記錄一次管程和殼程兩側的溫度和壓力。獲得不同流量下殼側的傳熱系數(shù)及壓降，其中殼側試驗傳熱系數(shù)采用科恩法[13]計算。試驗計算結果與模擬結果對比分析發(fā)現(xiàn)，殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)偏差為1.5% ～ 9.8%，殼程壓降偏差為4.5% ～ 7.6%，偏差在合理范圍內(nèi)，證明該數(shù)值模擬模型可行，從而保證模擬數(shù)據(jù)分析的正確性。

3 模擬結果分析

3.1 模擬云圖對比分析

當U 管換熱器殼程水流進口質(zhì)量流量分別為0.60 kg/s、0.70 kg/s、0.90 kg/s 和1.00 kg/s，折 流 板開孔率分別為a= 0 和a= 0.177、a= 0.193、a= 0.242、a= 0.268 時，得到殼程流體相應的速度云圖、速度矢量圖、溫度云圖和壓力云圖。下面以折流板未開孔及開孔率a= 0.177，殼程進口流量為0.70 kg/s 時，U 管換熱器殼側流場為例，分別從速度場、溫度場和壓力場3 個方面進行折流板開孔前后的對比分析。

3.1.1 速度場對比分析

圖5 是U 管換熱器殼程縱對稱面上速度云圖，從圖中可以看出，弓形折流板在換熱器殼程形成連續(xù)折返通道，當流體到達折流板時方向突然發(fā)生變化，流體在折流板間繞流，同時因為U 管中間面附近沒有布管而使流道擴大，流速較低。未開孔前，特別是U 管中間面附近，每塊折流板的背部均存在流動滯留區(qū)。折流板開孔后，殼程流體通過折流板上的開孔時會產(chǎn)生射流，增加了折流板背部流體的流速，有效抑制了折流板背部的流動“死區(qū)”，并且由于射流的卷吸作用，加劇了殼程流體的湍動，有利于提高殼程流體的傳熱效率[14-15]。

圖5 殼側速度分布對比云圖Fig.5 Velocity distribution comparison cloud chart

圖6 為折流板開孔前后殼側流體的速度矢量對比圖。

圖6 殼側速度分布對比云圖Fig.6 Velocity vector comparison cloud chart

3.1.2 溫度場對比分析

圖7 是U 管換熱器殼程縱向?qū)ΨQ面上溫度場分布對比云圖 ，由圖中可以看出，未開孔折流板換熱器中心面附近流體溫度呈現(xiàn)塊狀分布，折流板前后、中心面未布管區(qū)與換熱管附近流體溫差較大，整個殼側流體的溫度梯度大。折流板開孔后，U 管中心面未布管區(qū)橫向沖刷變成縱向流，且在開孔處產(chǎn)生射流，折流板背部流體流速增加。折流板前后、殼體中心面附近與換熱管周圍流體溫差減小，整個殼程溫度場均勻性得到提高，殼程傳熱系數(shù)提高了25%。

圖7 殼側溫度對比云圖Fig.7 Temperature nephogram comparison cloud chart

3.1.3 壓力場對比分析

圖8 是U 管換熱器殼程縱向?qū)ΨQ面上壓力分布對比云圖，由于弓形折流板在換熱器殼程形成連續(xù)折返通道，折流板兩側存在較大的壓力差。由圖可以看出，折流板上開孔前后，殼側壓降變化并不明顯。開孔折流板雖然減少了折流板背部流動滯留區(qū)的面積，使原來橫向沖刷換熱管的流體有一部分直接穿過折流板，減小了由于大量流體的折返繞流對換熱管的橫向沖刷，降低了殼程的壓降和管子的振動，但開孔率過大則會產(chǎn)生過多的射流造成新的壓降。開孔率a= 0.177，殼程壓力下降了3.5%。

圖8 殼側壓力對比云圖Fig.8 Pressure nephogram comparison cloud chart

3.2 折流板不同的開孔率對U管換熱器綜合性能的影響

3.2.1 開孔率對傳熱性能的影響

圖9 是未開孔折流板與四種不同開孔率的U 管換熱器殼程傳熱系數(shù)隨流量（將流量折算為殼程入口流速，下同）的變化情況。由圖可見，無論開孔與否，殼程的傳熱系數(shù)隨著入口流速的增加而增加。殼程入口流速的增加，流體的劇烈運動增加了殼程流體的湍動程度，進而提高了殼程的傳熱系數(shù)。在相同工況下，殼程傳熱系數(shù)隨著開孔率的大小變化規(guī)律為：a= 0.242 ＞a= 0.268 ＞a= 0.193 ＞a= 0.177 ＞未開孔。適當?shù)拈_孔有利于減少殼程流域中，特別是U 管中心面附近流體的流動“死區(qū)”，增加折流板背部流體的湍動程度，但開孔率過大（a= 0.268），大部分流體直接穿過折流板，使得橫向沖刷換熱管的流體減少，實際上減小了流體的平均流程，傳熱效率反而有所降低。

圖9 不同開孔率殼程傳熱系數(shù)變化曲線Fig.9 Heat transfer coefficient curve of Shell side with different opening rates

3.2.2 開孔率對壓降的影響

圖10 是不同開孔率下U 管換熱器殼程壓降隨流量的變化情況。由圖中變化曲線可以看出，隨著殼程流體入口流速的增加， 殼程壓降均呈上升趨勢。在相同的工況下，不同開孔率，殼程壓降的大小順序依 次 為：a= 0.242 ＞a= 0.268 ＞未 開 孔a= 0.193 ＞a= 0.177。在折流板開孔率為a= 0.177 時殼程的壓降最小，a= 0.242 時殼程壓降達到最大，殼程壓降總體變化不大（＜4.3%）。一定的開孔率（a= 0.193 和a= 0.177）有利于降低流動阻力，開孔率到達一定的程度（a= 0.242）時，在折流板開孔處流體劇烈混合造成了新的壓力損失，使得流體流動阻力較未開孔時有所增加，因此造成了流體的壓降增加，隨著開孔率的增加（a= 0.268），大量的橫向流變成縱向流，流體不再繞流折流板，流體的平均流程下降，U 管管式換熱器的壓降也隨之降低。

圖10 不同開孔率殼程壓降變化曲線Fig.10 Pressure drop curve of shell side with different opening rates

3.2.3 開孔率對場協(xié)同數(shù)的影響

場協(xié)同數(shù)Fc可以用來定量描述速度場和熱流場的協(xié)同程度[10]，其定義為：

場協(xié)同數(shù)Fc= 1 為對流傳熱強度的上限，此時的對流傳熱速度場與熱流場處于完全協(xié)同狀態(tài)，傳熱效果最佳。圖11 反映了未開孔與四種不同開孔率折流板U 管換熱器場協(xié)同數(shù)隨Re 準數(shù)變化的情況。從圖中可以看出，場協(xié)同數(shù)隨殼程Re 準數(shù)增大而減小，隨開孔率的增大是先增加后減小，當折流板開孔率a= 0.242 時場協(xié)同數(shù)最大，說明殼側速度場與溫度場協(xié)同性最好，傳熱能力最強。a= 0.268，a= 0.193，a= 0.177 殼側流體速度場與溫度場協(xié)同性次之，未開孔的最差。這與前面關于折流板開孔率大小對U 管換熱器殼程傳熱系數(shù)影響的分析結果一致。

圖11 不同開孔率殼程場協(xié)同性變化曲線Fig.11 Field covariance curve of shell side with different opening rates

3.2.4 開孔率對U 管換熱器綜合性能的影響

影響換熱器綜合性能的參數(shù)主要有殼程壓降和殼程傳熱系數(shù)，本文采用單位殼程壓降下?lián)Q熱器的傳熱系數(shù)[15-16]，作為衡量換熱器綜合性能的指標。該指標越大，換熱器的整體綜合性能也越好。

圖12 是不同折流板開孔率下U 管換熱器單位壓降傳熱系數(shù)隨Re 準數(shù)的的變化情況。從圖中可以看出隨著Re 準數(shù)的增加，單位壓降傳熱系數(shù)逐漸減小。主要由于隨著流量增大帶來的壓降損失大于傳熱系數(shù)的提高。 單位壓降下，不同開孔率下殼程傳熱系數(shù)的大小順序依次為a= 0.242 ＞a= 0.268 ＞a= 0.193 ＞a= 0.177 ＞未開孔。說明在折流板開孔率為a= 0.242 時換熱器的綜合性能最好，開孔率在a= 0.268、0.193、0.177 時殼程換綜合性能次之，未開孔時綜合性能最差，與場協(xié)同性分析結果一致。

圖12 不同開孔率殼程綜合傳熱性能曲線Fig.12 Comprehensive heat transfer performance curve of shell side with different opening rates

4 結論

本文提出將開孔折流板用于U 管換熱器，利用數(shù)值模擬的方法，對比研究了折流板不同開孔率（a= 0.177、0.193、 0.242 和 0.268）和未開孔折流板U 管式換熱器殼程對流傳熱系數(shù)及流阻特性，得到了以下主要結論：

（1）對比U 管換熱器弓形折流板開孔前后殼側流場后發(fā)現(xiàn)：折流板在開孔以后產(chǎn)生射流，并伴隨卷吸作用使得折流板背部區(qū)域的流體流速加快，滯留區(qū)域被破壞，流動“死區(qū)”減少，換熱器殼程溫度場、流場的分布趨于均勻。

（2）針對四種不同折流板開孔情況，U 管換熱器殼程流體的傳熱系數(shù)最小比開孔前提高了19%。殼程傳熱系數(shù)隨著開孔率的大小其變化規(guī)律為：a= 0.242 ＞a= 0.268 ＞a= 0.193 ＞a= 0.177 ＞未開孔，開孔有利于提高傳熱效率。

（3）針對四種不同折流板開孔情況，在開孔率為a= 0.177 時殼程的壓降最小，a= 0.242 時殼程壓降達到最大，殼程壓降的大小順序依次為：a= 0.242 ＞a= 0.268 ＞未開孔＞a= 0.193 ＞a= 0.177，適當?shù)拈_孔有利于降低殼程壓降。

（4）開孔折流板的引入，對于提高U 管換熱器綜合性能有顯著成效。單位壓降下，不同開孔率折流板，殼程傳熱系數(shù)的大小順序依次為：a= 0.242 ＞a= 0.268 ＞a= 0.193 ＞a= 0.177 ＞未開孔。說明在折流板開孔率為a= 0.242 時換熱器的綜合性能最好。開孔率在a= 0.268、0.193、0.177 時殼程換綜合傳熱性能次之，未開孔時綜合傳熱性能最差。

本文對不同開孔率下U 管換熱器傳熱性能和流阻的模擬研究，為U 管換熱器弓形折流板開孔提供優(yōu)化依據(jù)，為提高U 管換熱器的綜合性能提供參考和借鑒。