孫立潮,趙承志,佀 聞,張 翔,欒德玉

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266061)

管殼式換熱器是目前化工領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一種換熱器,其特點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)相對簡單,換熱效率高。近幾十年來,世界能源消耗量急劇增加,各個國家對節(jié)能要求逐漸提高,針對換熱器的換熱性能研究也成為了熱門領(lǐng)域。研究主要圍繞提高傳熱效率和降低壓力損失,并保證換熱器運(yùn)行的可靠性等方面進(jìn)行【1】。關(guān)于換熱器的研究已取得了較多成果【2-3】。

采用計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)方法進(jìn)行的換熱器研究最先由Patankar和Spalding等人提出【4】,后來經(jīng)過逐漸發(fā)展,形成了較為完善的計(jì)算體系。高緒棟【5】運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了不同折流板對換熱器換熱性能的影響, 利用JF因子作為評價(jià)指標(biāo),得出了如下結(jié)論:隨著折流板間距的減小,死區(qū)和旋渦減小,換熱效果逐漸變好;折流板缺口增大, 壓力損失和換熱效果都相應(yīng)減小,并且當(dāng)折流板間距改變時(shí),其對應(yīng)的折流板的最佳缺口高度也會發(fā)生改變。蔡毅【6】研究了板式換熱器內(nèi)的流體流動及換熱特性,建立了兩種分配區(qū),通過分析速度矢量圖, 得出進(jìn)口分配區(qū)的流體分布不均勻的結(jié)論,其通過在換熱區(qū)建立12個測試面進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)流體分配的最不均勻性出現(xiàn)在分配區(qū)和換熱區(qū)的交接處。此外,還通過分析不同的波紋傾角β下的流動狀態(tài),詳細(xì)說明了十字交叉流和曲折流的特點(diǎn)。Wang等【7-8】對比了多樣折流板縱向流與分段折流板兩種管殼式換熱器,從能耗方面進(jìn)行分析,為管殼式換熱器的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了依據(jù),同時(shí)采用大渦進(jìn)行模擬研究,得出小管徑下翅片式換熱器的換熱效率更高的結(jié)論。吳志偉【9】提出了異徑孔折流板和錐紋管,并采用數(shù)值模擬的方法研究了其構(gòu)造的新型高效換熱器的流體流動和傳熱特性,可為新型換熱器的工藝設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。劉妮等【10】對百葉窗翅片管換熱器空氣側(cè)進(jìn)行了模擬分析,發(fā)現(xiàn)隨翅片間距的減小,空氣側(cè)的流動助力和換熱性能增大,且雷諾數(shù)不同,其對應(yīng)的翅片最佳間距也不同。王兆蕊【11】模擬研究了四分螺旋折流板換熱器,通過改變螺旋角和搭接量,分析其對該換熱器換熱性能的影響,找到了相對較好的角度和搭接量,為工程應(yīng)用提供了理論參考。

本文應(yīng)用Fluent17.0軟件進(jìn)行模擬分析,對比相同條件下改變內(nèi)部折流板間距對換熱器殼程流動與傳熱性能的影響,計(jì)算結(jié)果以進(jìn)、出口溫度和壓降表示, 并以JF因子、殼程換熱系數(shù)、壓降、單位壓降的殼程傳熱系數(shù)、單位泵功率殼程傳熱系數(shù)衡量換熱器的換熱性能,以此來評定折流板間距對換熱器殼程流動與傳熱性能的影響。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 建立模型

本文采用三維軟件Solidworks 2016建立幾何模型,由于實(shí)際模型體積較大,較為復(fù)雜,考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力及計(jì)算效率,對模型進(jìn)行了一定程度的簡化。換熱管的排列方式為正方形排列,換熱器簡化的幾何模型如圖1所示。折流板的幾何模型如圖2所示。換熱器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 換熱器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 換熱器幾何模型

圖2 折流板幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

以折流板間距200 mm為例,將保存好的.x-t文件導(dǎo)入fluent軟件中的Geometry模塊中,運(yùn)用Geometry模塊中的surface和fill功能劃分流體域,然后將除換熱管之外的部分抑制掉,并將生成的冷熱流體域和換熱管組成一個新部分,對應(yīng)軟件中的part,方便進(jìn)行網(wǎng)格劃分,之后再將其導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件mesh模塊。采用整體性的網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型采用較為穩(wěn)定的四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格的最小尺寸定為6 mm,網(wǎng)格數(shù)量為6 164 575,同時(shí)對進(jìn)、出口及換熱面分別命名,然后導(dǎo)入Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。

本文使用Fluent17.0對折流板換熱器性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究, 網(wǎng)格文件導(dǎo)入后, 選擇湍流模型中的k-epsilon模型, 并在k-epsilon 模型中選擇standard模型, 近壁面選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法, 相關(guān)參數(shù)保持默認(rèn)值, 然后在材料庫中添加管、 殼程介質(zhì)和換熱管材料分別為液態(tài)水和結(jié)構(gòu)鋼。

材料添加完成后進(jìn)行邊界條件的設(shè)置,采用速度進(jìn)口邊界條件和壓力出口邊界條件,具體設(shè)置如下:

1) 進(jìn)口邊界條件

根據(jù)設(shè)備的工藝條件,管程與殼程進(jìn)口均采用速度進(jìn)口邊界條件,管程進(jìn)口與殼程進(jìn)口流量Ms=3.5 kg/s;管、殼程進(jìn)口溫度恒定,分別為Tt,in=473.15 K,Ts,in=513.15 K。

2) 出口邊界條件

管程與殼程出口均采用壓力出口邊界條件,管、殼程出口壓力Pt,out=1.6 MPa。

3) 壁面邊界條件

換熱管壁面設(shè)置為耦合邊界條件,使管、殼程內(nèi)流體通過壁面進(jìn)行傳熱,殼體壁面與折流板壁面設(shè)置為無滑移、不可滲透的絕熱邊界條件,忽略折流板的導(dǎo)熱及換熱器與外界環(huán)境的熱交換,近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

1.3 求解方法設(shè)置

完成邊界條件設(shè)置后,通過solution method命令對求解方法進(jìn)行設(shè)置。本模擬選擇分離變量隱式求解,采用速度與壓力耦合的SIMPLE算法,即控制方程中的壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式進(jìn)行求解,以便能更好、更快地收斂。動量項(xiàng)、能量項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式。然后進(jìn)行求解控制參數(shù)的設(shè)置,簡單地說,就是對方程中的松弛因子進(jìn)行設(shè)置。松弛因子是方程迭代求解時(shí)各項(xiàng)變化的系數(shù),松弛因子越大,計(jì)算至收斂的步數(shù)越少,反之,松弛因子越小,計(jì)算至收斂的步數(shù)越多,但過大的松弛因子會造成求解不收斂或發(fā)散。在一些不容易收斂的計(jì)算中,可先調(diào)小松弛因子,再隨著計(jì)算過程的進(jìn)展,逐步增大至默認(rèn)值。本模擬的各項(xiàng)松馳因子均采用默認(rèn)值。

2 模擬結(jié)果及分析

計(jì)算過程中殼程流量恒定不變,保持在Ms=3.5 kg/s,分別對折流板間距120、160、200、240和280 mm時(shí)的換熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬,并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 速度矢量圖分析

截取了5個不同折流板間距下的速度矢量分布,如圖3所示。

圖3 不同間距下的速度矢量分布

由圖3可以看出,折流板將殼程流體分成了幾個錯流區(qū),殼程流體在遇到折流板時(shí),其流動方向發(fā)生變化,隨著折流板間距的增大,殼程流體流動方向逐漸傾斜。折流板間距較小時(shí),流體垂直流過管束,增加了流體的湍流強(qiáng)度,流速增大,對流傳熱系數(shù)也較大,但每塊折流板的背面,會形成低速流動的“流動死區(qū)”,進(jìn)而影響換熱,隨著折流板間距的增大,“流動死區(qū)”的區(qū)域隨之增大,對流傳熱系數(shù)也隨之下降。

2.2 折流板間距對殼程壓降的影響

換熱器在殼程流動過程中,其阻力損失主要有兩種,分別是摩擦阻力損失和局部阻力損失,以壓降為主要的表示形式。壓降(Δp)是評價(jià)換熱器功耗的一個重要指標(biāo),很顯然,壓降越小,所需要的功耗也就越小,換熱器的成本也會降低。因此,本文對不同折流板間距下的壓降進(jìn)行了對比分析。圖4 為殼程壓降隨折流板間距的變化曲線。由圖4可以看出,隨著折流板間距的逐漸增大,殼程壓降逐漸降低。造成這一現(xiàn)象的原因在于,折流板間距的減小,使得固定殼體長度下,折流板數(shù)量增加,相當(dāng)于阻礙流體流動的部件增加,從而使殼程流體橫掠流速增加,而壓降與流速的平方成正比,流體流速越快,所受到的流動阻力也就越大,因此,折流板間距越小,流動阻力越大,功耗越高。

圖4 殼程壓降隨折流板間距變化曲線

2.3 折流板間距對對流傳熱系數(shù)的影響

對流傳熱系數(shù)hs是評價(jià)換熱器換熱性能的一個重要指標(biāo),對流傳熱系數(shù)越大,相同介質(zhì)條件下傳熱過程越劇烈。該換熱器在不同折流板間距下對流傳熱系數(shù)的變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出,隨著折流板間距的增大,對流傳熱系數(shù)上下波動,但總體呈現(xiàn)下降趨勢,在折流板間距為120 mm時(shí),對流傳熱系數(shù)最大,當(dāng)間距增加到280 mm時(shí),對流傳熱系數(shù)最小。其原因可能是由于換熱管壁面周圍存在層流邊界層,間距相對較小時(shí),湍流程度較大,其邊界層就很薄,相應(yīng)的熱阻就會減小,對流傳熱系數(shù)就會較大,反之則會相對減小。

圖5 對流傳熱系數(shù)隨折流板間距變化曲線

2.4 折流板間距對換熱器綜合性能的影響

單位壓降對流傳熱系數(shù)(hs/Δp)和單位泵功率對流傳熱系數(shù)(hs/Δp1/3)是評價(jià)換熱器綜合性能的兩個重要指標(biāo)。圖6和圖7分別是單位壓降對流傳熱系數(shù)(hs/Δp)和單位泵功率對流傳熱系數(shù)(hs/Δp1/3)隨折流板間距變化曲線。由圖6和圖7可以看出,隨著折流板間距的增大,hs/Δp也在增大,hs/Δp1/3雖有波動,但總體處于上升趨勢,換熱器的綜合換熱性能有所提高。

圖6 單位壓降的對流傳熱系數(shù)隨折流板間距變化曲線

圖7 單位泵功率對流傳熱系數(shù)隨折流板間距變化曲線

2.5 以JF因子為評價(jià)指標(biāo)的綜合性能分析

根據(jù)公式計(jì)算不同折流板間距下的JF因子,其變化曲線如圖8所示。由圖8可以看出,隨著折流板間距的增大,JF因子也在增大,在間距160～240 mm之間,增大速度較為緩慢,在間距為280 mm時(shí),JF因子達(dá)到最大值。因此,在折流板間距較大時(shí),其JF因子相對較大,綜合性能較好。

圖8 JF因子隨折流板間距變化曲線

3 結(jié)論

采用Fluent17.0對換熱器在5組不同的折流板間距下的換熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬,得到如下結(jié)論:

1) 對換熱器的壓降進(jìn)行計(jì)算和分析,結(jié)果顯示,隨著折流板間距的增大,換熱器的壓降逐漸減小,功耗降低,對應(yīng)的換熱器運(yùn)行成本也相應(yīng)減少。

2) 通過對5個不同折流板間距下的速度矢量圖進(jìn)行對比可以看出,折流板間距越大,低流速的“流動死區(qū)”也會逐漸增大,導(dǎo)致對流傳熱系數(shù)有所降低。

3) 對換熱器進(jìn)行綜合性能分析發(fā)現(xiàn),單位壓降對流傳熱系數(shù)hs/Δp和單位泵功率對流傳熱系數(shù)hs/Δp1/3均隨折流板間距的增大呈現(xiàn)增長的趨勢,JF因子也相應(yīng)增大。總的來說,當(dāng)折流板間距增大時(shí),換熱器綜合性能較好,工程中可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的折流板間距。