劉寶亮，閆秀娟，劉　軍，趙　捷，李保安

(天津大學(xué)化工學(xué)院,化學(xué)工程研究所，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 30072)

換熱器是化工、石油、輕工、食品等工業(yè)中的主要設(shè)備之一。傳統(tǒng)的換熱器一般都是金屬材料制成。但隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)換熱器耐腐蝕性的要求越來(lái)越高。而金屬換熱器往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕和污垢的附著，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器性能變壞[1]。塑料換熱器由于具有抗結(jié)垢、耐腐蝕、成本低廉以及易于制造和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的關(guān)注[2]。但是塑料材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，一定程度上限制了塑料換熱器的應(yīng)用。而中空纖維換熱器作為一種新型的塑料換熱器由于其比表面積大和相對(duì)較薄的壁厚能夠顯著提升其換熱性能[3]，聚丙烯、 聚醚醚酮樹(shù)脂和聚醚砜樹(shù)脂中空纖維都曾用來(lái)制作中空纖維換熱器[2-4]。對(duì)于水-水系統(tǒng)、乙醇-水系統(tǒng)和蒸汽-水系統(tǒng)，中空纖維換熱器的換熱系數(shù)分別達(dá)到了647～1 314、414～642和2 000 W/(m2·K)。李保安等[5]研發(fā)了一種新型的經(jīng)石墨改性的聚丙烯中空纖維塑料換熱器，對(duì)于水-水系統(tǒng)其換熱系數(shù)達(dá)到了1 228.7 W/(m2·K)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于換熱器研究開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有費(fèi)用低、速度快、能重復(fù)模擬復(fù)雜工況等優(yōu)點(diǎn)[6]，而且數(shù)值模擬可以提供一些很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的參數(shù)，例如，換熱器內(nèi)部的溫度和速度分布等。為了強(qiáng)化中空纖維換熱器的換熱效率，趙捷等[7]建立了殼程式中空纖維換熱器模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了換熱器內(nèi)部的流體流動(dòng)。而閆秀娟等[8]在中空纖維換熱器的殼程增加聚丙烯網(wǎng)以增加流體湍動(dòng)，并利用Fluent進(jìn)行模擬。但是迄今有關(guān)以在換熱器的殼程增加弓形折流擋板的方式強(qiáng)化中空纖維換熱器的換熱效率的研究卻鮮有報(bào)道。本研究利用GAMBIT 2.4建立了管殼式弓形折流擋板和無(wú)折流擋板聚丙烯中空纖維換熱器流場(chǎng)的三維模型，使用有限元軟件Fluent 6.3迭代計(jì)算。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，分析三維模型的準(zhǔn)確性，研究換熱器內(nèi)部的流體流動(dòng)和傳熱性能。

1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

聚丙烯中空纖維被用于制備中空纖維換熱器組件。通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠將中空纖維密封于換熱器外殼內(nèi)。組件1為有折流擋板的中空纖維換熱器，組件2為無(wú)折流擋板的中空纖維換熱器。中空纖維換熱器組件的具體參數(shù)如表1所示。

表1　聚丙烯中空纖維換熱器參數(shù)表

圖1為中空纖維換熱器“水-水”換熱測(cè)試的工藝流程。加熱的去離子水(83 ℃)作為原料液由恒溫水浴提供，由料液泵輸送，流經(jīng)換熱器管程后流回原料液罐，呈循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。室溫下19 ℃的去離子水作為冷卻水流經(jīng)換熱器的殼程，升溫后的冷卻水經(jīng)換熱器降溫，流回冷卻水罐。實(shí)驗(yàn)中對(duì)系統(tǒng)采取了保溫措施，以降低系統(tǒng)熱量損失對(duì)換熱測(cè)試的影響。

圖1　中空纖維換熱器換熱測(cè)試工藝流程圖Fig.1　Experimental setup for measurements of hollow fiber heat exchanger

2　換熱器模型的建立

在聚丙烯中空纖維換熱器模型中，建立了固-液耦合傳熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括管程、殼程和中空纖維管壁。為保證計(jì)算精度和速度，需要對(duì)模型作一些假設(shè)，主要有：1)流體為牛頓流體；2)流體物理參數(shù)如密度、黏度不隨溫度而變化；3) 流體是不可壓縮的、連續(xù)的和各向同性的。

本研究中管殼式換熱器為軸向?qū)ΨQ，為了減少計(jì)算，建立聚丙烯中空纖維換熱器整體模型的1/2 對(duì)稱模型。使用GAMBIT 2.4建立有折流擋板和無(wú)折流擋板中空纖維換熱器的三維模型。圖2為聚丙烯中空纖維換熱器的幾何模型。其中，圖2a)為無(wú)折流擋板換熱器的模型，圖2b)為有折流擋板換熱器的模型。模型中空纖維的排列方式為正三角排列，管間距為2.8 mm。利用Gambit，采用Cooper方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算之前首先對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性測(cè)算，采用不同的網(wǎng)格密度重復(fù)同樣的計(jì)算，比較所得的結(jié)果。 當(dāng)模型進(jìn)一步加大網(wǎng)格密度，中空纖維換熱器總傳熱系數(shù)幾乎不再發(fā)生變化，即認(rèn)為此解為網(wǎng)格獨(dú)立的解[9]?？紤]到計(jì)算的收斂時(shí)間和結(jié)果的精確度，對(duì)于有折流擋板和無(wú)折流擋板的中空纖維換熱器模型分別采用3 086 622和3 593 600個(gè)網(wǎng)格密度。定義邊界類型，在本模型中，入口邊界條件為速度入口；出口邊界條件為速度出口；中空纖維管壁為耦合邊界條件。

圖2　聚丙烯中空纖維換熱器的幾何模型Fig.2　Geometric model of the PP hollow fiber heat exchanger

使用Fluent 6.3對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模型計(jì)算。對(duì)于無(wú)折流擋板中空纖維換熱器模型，因?yàn)楣艹毯蜌こ痰睦字Z數(shù)Re都小于2 300，故流動(dòng)模型都采用層流模型[3]。對(duì)于加折流擋板的中空纖維換熱器模型，殼程的流動(dòng)模型采用k-ε模型。設(shè)置基于壓力的求解器；壓力和動(dòng)量的默認(rèn)松弛因子分別設(shè)置為0.3和0.7；收斂精度設(shè)置為10-6。

3　數(shù)據(jù)處理

主要涉及到的物理量為溫度、流量、壓差。在實(shí)驗(yàn)中，換熱器的進(jìn)出口流體溫度由熱電阻測(cè)量，進(jìn)口流量由流量計(jì)測(cè)量，換熱器殼程的進(jìn)出口壓力差由U形管測(cè)量；在模擬中，換熱器的進(jìn)出口流體溫度、進(jìn)出口流量以及換熱器殼程的進(jìn)出口壓力差可以通過(guò)模擬計(jì)算獲得。本研究首先應(yīng)用熱平衡法求出換熱器總的傳熱系數(shù)，再運(yùn)用威爾遜熱阻分離法將殼程換熱系數(shù)分離出來(lái)。詳細(xì)的后處理過(guò)程可參考文獻(xiàn)[10]。

4　結(jié)果與討論

圖3為聚丙烯中空纖維換熱器總傳熱系數(shù)隨殼程流體流速的變化圖。圖4為換熱器殼程壓差隨殼程流體流速的變化圖。

圖3　聚丙烯中空纖維換熱器總傳熱系數(shù)隨殼程流體流速的變化(管程流速為0.4 m/s)Fig.3　Comparisons of overall heat transfer coefficient between the numerical and experimental result for HFHE without baffles and with baffles (average velocity of tube-side 0.4 m/s)

圖4　換熱器殼程進(jìn)出口壓差隨殼程流速的變化圖(管程流速為0.4 m/s)Fig.4　Comparisons of pressure drop of shell-side between the numerical and experimental result for PHFHE without baffles and with baffles (average velocity of tube-side 0.4 m/s)

從圖3可以看出，對(duì)于有折流擋板和無(wú)折流擋板的中空纖維換熱器，在實(shí)驗(yàn)流速范圍內(nèi)換熱器的總換熱系數(shù)U隨著殼程流體流速us的增加而提高，當(dāng)us超過(guò)0.4 m/s后，U值都趨于穩(wěn)定。從圖3和4可以看出，數(shù)值模擬得到的換熱器總傳熱系數(shù)和殼程壓降與實(shí)驗(yàn)值的誤差分別小于8%和6%，中空纖維換熱器的數(shù)值模型是準(zhǔn)確的[7-8,10]。

同時(shí)，從圖3和圖4中也可以看出，模擬數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值之間存在一定偏差，這是因?yàn)椋?)在模擬中，假設(shè)換熱器與環(huán)境之間是絕熱的。但是在實(shí)驗(yàn)中，盡管使用了絕熱材料進(jìn)行保溫，但是換熱器與環(huán)境之間的熱交換是不可避免的。在實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)于管程的傳熱量，殼程損失了2.45%左右的熱量。2)在模擬中，假設(shè)流體物理參數(shù)如密度、黏度不隨溫度而變化。但在實(shí)驗(yàn)中，流體的物理參數(shù)如密度、黏度會(huì)隨溫度而變化；3)在模型中，假設(shè)中空纖維的排列方式為正三角排列。正三角分布有利于殼程流體的均勻分布，提高流體在殼程的停留時(shí)間，有利于換熱器的換熱。但在實(shí)驗(yàn)組件中，中空纖維的排列很難做到完美正三角排列。也正是上述原因?qū)е履M的換熱器的總換熱系數(shù)要比實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的要高。

對(duì)于中空纖維換熱器，欲提高換熱器總換熱系數(shù)，關(guān)鍵在于提高熱阻較大側(cè)的換熱系數(shù)。圖5為實(shí)驗(yàn)中殼程熱阻占總熱阻比例的隨殼程流速的變化圖。

圖5　殼程熱阻占總熱阻比例隨殼程流速的變化圖(管程流速為0.4m/s)Fig.5　Comparisons of the heat resistance ratio of shell-side between PHFHE with and without baffles (average velocity of tube-side 0.4 m/s)

從圖5可以看出，對(duì)于無(wú)折流擋板中空纖維換熱器，殼程的熱阻占總熱阻的比例達(dá)到59%～70%。這就說(shuō)明，降低殼程的熱阻是一種強(qiáng)化中空纖維換熱器換熱效率的有效途徑。增加了折流擋板以后，中空纖維換熱器殼程熱阻占總熱阻的比例降為了46%～57%。而且對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有折流擋板的中空纖維換熱器的總換熱系數(shù)比無(wú)折流擋板換熱器的提高了21%左右。這是因?yàn)閷?duì)于有折流擋板的中空纖維換熱器，由于殼程折流擋板的阻擋作用，中空纖維表面的流體流速增加，湍動(dòng)性增強(qiáng)，降低了中空纖維壁面附近邊的層流厚度，從而降低殼程的熱阻，提高了中空纖維換熱器的總換熱系數(shù)。

圖6給出了換熱器殼程徑向截面的流體速度分布圖。其中，圖6a)為有折流擋板換熱器殼程徑向截面的流體速度分布，圖6b)為無(wú)折流擋板換熱器殼程徑向截面的流體速度分布。如圖6所示，加折流擋板后中空纖維壁面的速度邊界層厚度會(huì)變薄，溫度邊界層也會(huì)相應(yīng)變薄，從而降低傳熱熱阻，提高換熱系數(shù)。

圖6　換熱器殼程流體徑向截面的速度分布Fig.6　Velocity distribution in the cross-section plane of the hollow fiber heat exchanger

如圖4所示，殼程增加折流擋板后，換熱器殼程的壓降增大，增幅大約為12%。這說(shuō)明增加擋板后，雖然換熱器的總換熱系數(shù)增大，但是所消耗的動(dòng)力也相應(yīng)增大。為了更好地說(shuō)明增加折流擋板能夠強(qiáng)化換熱器的傳熱效率，需要綜合考慮殼程的換熱系數(shù)和殼程壓降這2個(gè)參數(shù)。如圖7所示，增加了折流擋板后，換熱器的殼程換熱系數(shù)與殼程壓降的比值明顯得到了提高，這說(shuō)明在進(jìn)行同樣的熱量交換時(shí)，有折流擋板的換熱器所需要的動(dòng)力消耗比無(wú)折流擋板換熱器的少。綜上所述，在殼程增加弓形折流檔板的方式可以提高中空纖維換熱器的換熱效率。

圖7　殼程換熱系數(shù)與殼程壓降的比值隨殼程流速的變化圖(管程流速為0.4m/s)Fig.7　Comparisons of the heat transfer coefficient of shell-side per pressure drop between HFHE with and without baffles (average velocity of tube-side 0.4 m/s)

同時(shí)，還研究了中空纖維換熱器內(nèi)部溫度和速度的分布。以殼程和管程的流體流速均為0.4 m/s的情況為例。

圖8中空纖維換熱器殼程流體的溫度分布圖。其中，圖8a)為有折流擋板換熱器殼程流體的溫度分布，圖8b)為無(wú)折流擋板換熱器殼程流體的溫度分布。

圖8　纖維換熱器殼程流體的溫度分布Fig.8　Temperature distribution of shell-side in hollow fiber heat exchanger

對(duì)于加折流擋板的中空纖維換熱器，當(dāng)冷流體進(jìn)入組件后流體溫度迅速提高，尤其是當(dāng)流體經(jīng)過(guò)折流擋板后。而對(duì)于無(wú)折流擋板的中空纖維換熱器，當(dāng)冷流體進(jìn)入組件后流體溫度提高的比較緩慢。而且加折流擋板的中空纖維換熱器中出口流體溫度也比無(wú)折流擋板的換熱器中出口流體溫度高。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加折流擋板的中空纖維換熱器的換熱效果比無(wú)折流擋板的換熱器好。

圖9　中空纖維換熱器殼程流體的速度分布Fig.9　Velocity distribution of shell-side in hollow fiber heat exchanger

圖9為中空纖維換熱器殼程流體的速度分布圖。其中，圖9a)為有折流擋板換熱器殼程流體的速度分布，圖9b)為無(wú)折流擋板換熱器殼程流體的速度分布。從圖10可以看出，在中空纖維換熱器殼程加入折流擋板以后，換熱器的殼程流體流動(dòng)的“死區(qū)”變小，而殼程的局部速度明顯增大。這是因?yàn)橛捎跉こ陶哿鲹醢宓淖钃踝饔茫瑲こ痰木植苛黧w流速增加，特別是在中空纖維表面，流體的湍動(dòng)性增強(qiáng)，降低了中空纖維壁面附近的層流厚度，從而導(dǎo)致層流邊界層和熱邊界層變薄，溫度梯度增大，傳熱系數(shù)增加，從而強(qiáng)化了換熱器換熱效率。通過(guò)以上分析證明，殼程增加弓形折流擋板的方式可以有效的強(qiáng)化高中空纖維換熱器的換熱效率。

5　結(jié)論

1)建立了三維的聚丙烯中空纖維有折流擋板和無(wú)折流擋板換熱器的模型。通過(guò)模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，聚丙烯中空纖維換熱器模型的準(zhǔn)確性得到有效的證實(shí)。

2)在中空纖維換熱器殼程增加弓形折流擋板以后，由于殼程折流擋板的阻擋作用，殼程流體流動(dòng)的“死區(qū)”變小，流體的湍動(dòng)性增強(qiáng)，降低了殼程邊界層的層流厚度，降低了殼程熱阻，從而強(qiáng)化了換熱器換熱效率。因此殼程的流體溫度升高的更加迅速，流體的出口溫度也更高。

3)在中空纖維換熱器殼程增加弓形折流擋板以后，換熱器殼程熱阻占總熱阻的比例從59%～70%降低到了46%～57%，中空纖維換熱器的總換熱系數(shù)也提高了21%左右；雖然換熱器的殼程壓降提高了12%左右，但是殼程換熱系數(shù)與殼程壓降的比值卻明顯升高。通過(guò)分析證明了，殼程增加弓形折流擋板的方式可以提高中空纖維換熱器的換熱效率。

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2.6中英文摘要需寫出文章研究的問(wèn)題、過(guò)程、方法和結(jié)果，并進(jìn)行定性定量的表述。文章引言需寫出工作研究的背景、論文的目的及意義。注意摘要、引言及結(jié)論不能重復(fù)描述。

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[2]陳壽椿，唐春元，于肇德.重要無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)[M].第3版.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1994

3)論文集：析出文獻(xiàn)責(zé)任者.析出文獻(xiàn)題名[C]//論文集主要責(zé)任者.論文集題名.出版地：出版者，出版年份：起止頁(yè)碼

[3]徐道遠(yuǎn)，符曉陵，壽朝暉，等.混凝土三維復(fù)合型斷裂的FCM和GF[C]//涂傳林.第五屆巖石、混凝土斷裂和強(qiáng)度學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1993: 19-24

4)學(xué)位論文：作者姓名.論文名[D].保存地點(diǎn)：保存單位，出版年份

[4]吳迪.分批精餾過(guò)程的模擬和設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究[D].天津：天津大學(xué)，1991

5)專利文獻(xiàn)：專利申請(qǐng)者.專利名稱：專利國(guó)別：專利號(hào)[P].公告日期或公開(kāi)日期

[5]姜錫洲.一種溫?zé)嵬夥笏幹苽浞椒ǎ褐袊?guó)， 881056073[P].1989-07-26

電話：022-27406054；E-mail：hgbjb@tju.edu.cn；地址：天津大學(xué)化工學(xué)院《化學(xué)工業(yè)與工程》編輯部；郵編：300072