崔海波，耿向瑾

折流擋板傾斜角度對(duì)管殼式換熱器傳熱影響的數(shù)值模擬

崔海波，耿向瑾

（云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，云南 昆明 650217）

利用CFD軟件，通過(guò)對(duì)小型管殼式換熱器建立數(shù)值模型，研究改變折流擋板傾斜角度（0°、5°、10°、15°、30°和45°）對(duì)換熱器內(nèi)部流場(chǎng)以及換熱效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在不同入口水速下（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s），換熱器內(nèi)水流溫升率和總熱傳率受折流擋板傾斜角度變化的影響規(guī)律不同；隨著折流擋板傾斜角度的逐漸增大，換熱器內(nèi)部壓力分布逐漸均勻，換熱器進(jìn)、出口壓降減?。徽哿鲹醢鍍A斜角度取5°時(shí)，可以獲得較小的壓降率、較大的溫升率和總熱傳率。

換熱器；管殼式；折流擋板；傾斜角度；溫升率；總熱傳率；壓降；換熱效果

換熱器是指將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給他種流體的設(shè)備，其在工業(yè)中應(yīng)用極為普遍，例如鍋爐設(shè)備的過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器，電廠熱力系統(tǒng)中的凝汽器、除氧器、給水加熱器等[1-2]。傳統(tǒng)節(jié)段折流板殼和管式換熱器存在出現(xiàn)滯流區(qū)、傳熱系數(shù)低和壓降大等問(wèn)題，但是這些問(wèn)題可以通過(guò)優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被解決[3-6]。王慶鋒等[7]研究了折流板間距與換熱器對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明，折流板間距越大，殼程對(duì)流傳熱系數(shù)越小，壓降也越小，當(dāng)折流板間距為330 mm 時(shí)，換熱器換熱效率最高，此時(shí)換熱器在較小的壓降下可以獲得較大的對(duì)流傳熱系數(shù)。黨明巖等[8]利用ICEM和Fluent軟件對(duì)管殼式換熱器的殼程流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究了折流擋板對(duì)殼程流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明：由于存在流動(dòng)死區(qū)，折流板后方會(huì)出現(xiàn)溫度比周?chē)鷾囟雀叩膮^(qū)域；隨著折流板的數(shù)量增加，流體的湍流程度增加，流體的出口溫度提高，換熱器的傳熱效率提高。

在各類(lèi)換熱器中，殼程式換熱器占主要地位，約占各類(lèi)換熱器總量的70%。對(duì)于管殼式換熱器，按殼程流體的流動(dòng)方向可分為橫向流、縱向流和螺旋流，而針對(duì)不同的殼程流動(dòng)形態(tài)，換熱器的性能呈現(xiàn)較大差異。Chen等人[9]提出了一種新型的螺旋折流板換熱器，包括圓周重疊三螺旋折流板殼和管式換熱器，克服了螺旋式自然扇形折流板扇形區(qū)不均勻性問(wèn)題，并利用數(shù)值模擬對(duì)該種換熱器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。

有效性和成本是換熱器設(shè)計(jì)中的2個(gè)重要參數(shù)。各生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Q熱器不斷提出新的要求，使得換熱器的性能改進(jìn)日顯重要，以往單一的通過(guò)試驗(yàn)研究改進(jìn)換熱器的方法很難滿(mǎn)足工業(yè)快速發(fā)展的需求。而運(yùn)用數(shù)值模擬方法來(lái)進(jìn)行實(shí)用性更強(qiáng)、計(jì)算效果更準(zhǔn)確的換熱器殼程流場(chǎng)模擬已越來(lái)越得到認(rèn)可和關(guān)注[10]。同時(shí)，數(shù)值模擬的方法更便于研究各類(lèi)單一因素的影響，從而可以定量研究換熱效果隨各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律[11-12]。因此，為了在管殼式換熱器的合理成本下提高換熱性能，本文在管殼式換熱器的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法，研究改變折流擋板傾斜角度對(duì)換熱器內(nèi)部流場(chǎng)以及換熱效果的影響。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 換熱器模型建立及網(wǎng)格劃分

本文研究的換熱器為普通管殼式換熱器，由管殼、換熱管、進(jìn)出口和折流擋板組成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1[13]。

表1 本文管殼式換熱器基本參數(shù)

Tab.1 Basic parameters of the shell-tube heat exchanger

由于換熱器殼程結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在保證相關(guān)物理量準(zhǔn)確的前提下，建模時(shí)作如下簡(jiǎn)化假設(shè)[14]：1）忽略折流板與換熱管、折流板與筒體之間的間隙；2）增加換熱器殼程進(jìn)、出口直管段長(zhǎng)度，保證流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；3）假設(shè)流體流動(dòng)和傳熱過(guò)程是均一、穩(wěn)定的；4）對(duì)傳熱導(dǎo)致的水流物理性質(zhì)如密度、黏性和比熱容等的變化忽略不計(jì)；5）流體為牛頓流體，不可壓縮、各向同性且連續(xù)；6）忽略拉桿、定距管、防沖板等結(jié)構(gòu)對(duì)殼程流場(chǎng)計(jì)算的影響。

對(duì)簡(jiǎn)化的管殼式換熱器建立數(shù)值模型，折流擋板傾斜角度為0°的幾何模型如圖1所示，傾斜角度分別為5°、10°、15°、30°和45°的折流擋板局部模型如圖2所示。

圖1 換熱器數(shù)學(xué)模型及尺寸

圖2 不同傾斜角度折流擋板模型局部示意

1.2 基本控制方程

基于不可壓縮的牛頓流體假設(shè)，在常物性和宏觀熱能守恒的假設(shè)下，管殼式換熱器內(nèi)部流動(dòng)傳熱過(guò)程涉及的控制方程均可表示成以下通用形式[15]：

1.3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

本文為穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，需要取換熱器出口水溫的變化進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證[14]。利用GAMBIT對(duì) 網(wǎng)格進(jìn)行劃分，利用Fluent進(jìn)行計(jì)算，分別記錄了不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)換熱器出口水溫的變化。在折流擋板傾斜角度為0°、進(jìn)口水流速度為0.1 m/s工況下?lián)Q熱器出口水溫的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)120萬(wàn)時(shí)，溫度變化曲線(xiàn)趨于平衡，所以可認(rèn)為140萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)已達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)，因此取網(wǎng)格數(shù)為141.775萬(wàn)的模型作為計(jì)算模型。

圖3 換熱器出口水溫隨計(jì)算網(wǎng)格數(shù)的變化規(guī)律

1.4 邊界條件設(shè)置

換熱器入口邊界條件設(shè)置為速度入口，介質(zhì)為水，假設(shè)入口速度分布均勻，忽略重力影響，入 口速度根據(jù)試驗(yàn)工況，分別取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s，速度方向垂直于邊界，溫度為25 ℃。出口邊界條件設(shè)置為自由出口。換熱器外殼為不可滲透、無(wú)滑移的絕熱壁面。取換熱管外壁溫度為恒溫105 ℃。應(yīng)用SIMPLE算法進(jìn)行壓力速度耦合，采用二階迎風(fēng)格式。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫升率

取進(jìn)、出口水溫差值與進(jìn)口水溫的比值——溫升率為因變量，不同入口水速下，其隨折流擋板傾斜角度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同入口水速下折流擋板傾斜角度對(duì)溫升率的影響

由圖4可知，在入口水速為0.1、0.2 m/s時(shí)，溫升率隨折流擋板傾斜角度的增大而逐漸降低；在水速為0.3、0.4 m/s時(shí)，溫升率隨折流擋板傾斜角度的增大先水平波動(dòng)，后逐漸降低；在水速為0.5 m/s時(shí)，溫升率隨折流擋板傾斜角度的增大先升高，后逐漸降低。不同入口水速下，換熱器出口水溫隨折流擋板傾斜角度變化的規(guī)律不同，這是因?yàn)閾Q熱器內(nèi)水流狀態(tài)和換熱效果同時(shí)受入口水速和設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響，在入口水速較低時(shí)，折流擋板傾斜角度增大，壓降減小，水流速度增加。

圖5為0.1 m/s入口水速下?lián)Q熱器內(nèi)部速度分布云圖。由圖5可見(jiàn)，隨折流擋板傾斜角度增大，換熱器內(nèi)水流速度逐漸增大，因此水流與換熱管間的換熱時(shí)間縮短，溫升率降低（圖4）。在入口水速較高時(shí)，隨折流擋板傾斜角度逐漸增大，水流擾動(dòng)加強(qiáng)，較小的湍流擾動(dòng)可提高水溫；但隨折流擋板傾斜角度再繼續(xù)增大，擋板后部形成渦流（圖6），在水流速度為0.5 m/s、折流擋板傾斜角度為45°時(shí)，擋板后部區(qū)域形成了明顯的速度分層。

圖5 0.1 m/s入口水速下?lián)Q熱器內(nèi)部速度分布云圖

圖7則進(jìn)行了局部放大，給出了入口水速為0.5 m/s時(shí)擋板后部的水流矢量圖。通過(guò)對(duì)比可得，換熱器內(nèi)局部換熱加強(qiáng)，但對(duì)換熱器整體換熱效果不利，致使溫升率降低。

2.2 壓降率

為了對(duì)換熱器的壓降程度進(jìn)行橫向比對(duì)，取換熱器進(jìn)、出口壓力差值與進(jìn)口壓力值的比值——壓降率為因變量，不同入口水速下，其隨折流擋板傾斜角度的變化規(guī)律如圖8所示，0.5 m/s入口水速下不同傾角對(duì)應(yīng)的換熱器內(nèi)部壓力分布云圖如圖9所示。由圖8可知，各入口水速下，壓降率均隨著折流擋板傾斜角度的增大而先減小再增大再減小。由圖9可知，隨折流擋板傾斜角度逐漸增大，換熱器內(nèi)部高壓力區(qū)域減少，壓力分布逐漸均勻。這是由于隨折流擋板傾斜角度增大，換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，軸向流通面積增大，阻力減小，從而使得換熱器進(jìn)出口壓降減小。

圖6 0.5 m/s水流速度下?lián)Q熱器內(nèi)部速度分布云圖

圖7 0.5 m/s入口水速下局部速度分布矢量圖

圖8 不同入口水速下折流擋板傾斜角度對(duì)壓降率的影響

圖9 0.5 m/s入口水速下?lián)Q熱器內(nèi)部壓力分布云圖

2.3 總熱傳率

不同入口水速下，換熱器內(nèi)總熱傳率隨折流擋板傾斜角度變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 不同入口水速下折流擋板傾斜角度對(duì)總熱傳率的影響

由圖10可知，總傳熱率變化規(guī)律與溫升率相同：在入口水速為0.1、0.2 m/s時(shí)，總熱傳率隨折流擋板傾斜角度的增大而逐漸降低；在入口水速為0.3、0.4 m/s時(shí)，總熱傳率隨折流擋板傾斜角度的增大先水平波動(dòng)，后逐漸降低；在入口水速為0.5 m/s時(shí)，總熱傳率隨折流擋板傾斜角度的增大先升高，后逐漸降低。這表明，在不同入口水速下，換熱器內(nèi)部傳熱過(guò)程受折流擋板傾斜角度變化的影響規(guī)律不同。其原因是總熱傳率高低主要受換熱器內(nèi)部水流狀態(tài)的影響。折流擋板傾斜角度較小時(shí)，可以加強(qiáng)水流擾動(dòng)，增強(qiáng)換熱效果；當(dāng)折流擋板傾斜角度繼續(xù)增大，局部換熱加強(qiáng)，總熱傳率降低。

此外，由圖10還可看出，隨進(jìn)口水速增加，換熱器總熱傳率增大。這是因?yàn)?，在相同換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)下，入口水速增大，水的質(zhì)量流率升高，換熱器內(nèi)擾動(dòng)增強(qiáng)，換熱管表面換熱速度增加，總熱傳率升高。

3 結(jié)論

1）當(dāng)體積流率小于2%時(shí)，逐漸增大換熱器內(nèi)折流擋板傾斜角度，換熱器出口水溫降低，總熱傳率減??；當(dāng)體積流率大于2%、小于4%時(shí)，逐漸增大換熱器內(nèi)折流擋板傾斜角度，換熱器出口水溫和總熱傳率先水平波動(dòng)，當(dāng)傾斜角度大于20°以后，換熱器出口水溫和總熱傳率逐漸減小；當(dāng)體積流率大于5%時(shí)，逐漸增大換熱器內(nèi)折流擋板傾斜角度，換熱器出口水溫和總熱傳率先增大，當(dāng)傾斜角度大于10°以后，換熱器出口水溫和總熱傳率逐漸減小。

2）隨折流擋板傾斜角度的逐漸增大，換熱器內(nèi)部軸向流通面積增大，壓力分布逐漸均勻，進(jìn)、出口壓降減小。

3）在各體積流率工況下，折流擋板傾斜角度取5°時(shí)，可以獲得較小的壓降率、較大的溫升率和總熱傳率。

［1］ 史美中, 王中錚. 熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M]. 5版. 南京: 東南大學(xué)出版社, 2014: 24-41. SHI Meizhong, WANG Zhongzheng. Principle and design of heat exchanger[M]. 5th ed. Nanjing: Southeast University Press, 2014: 24-41.

［2］ 黃其斌. 換熱器傳熱與流阻特性測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)及標(biāo)定[D]. 南京: 南京工業(yè)大學(xué), 2016: 54-68. HUANG Qibin. Development and calibration of test platform for heat transfer and flow resistance characteris-tics of heat exchangers[D]. Nanjing: Nanjing University of Technology, 2016: 54-68.

［3］ 陳建軍, 王詩(shī)涵, 王海波. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的換熱器渦流檢測(cè)探頭參數(shù)的預(yù)測(cè)研究[J]. 吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2013, 30(3): 32-34. CHEN Jianjun, WANG Shihan, WANG Haibo. The research of exchanger eddy current testing probe parameters prediction based on BP neural network[J]. Journal of Jilin Institute of Chemical Technology, 2013, 30(3): 32-34.

［4］ 郭文哲, 郭凱華, 陳正滿(mǎn). 換熱器管束中折流板的正確機(jī)加及穿裝管束工藝技術(shù)[J]. 中國(guó)化工裝備, 2016(1): 23-25. GUO Wenzhe, GUO Kaihua, CHEN Zhengman. The machining process of baffles and inserting technology of tubes for tube bundle of heat exchanger[J]. China Chemical Industry Equipment, 2016(1): 23-25.

［5］ 李秋英, 陳杰, 尹全森. 大型LNG換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及換熱性能模擬[J]. 石油與天然氣化工, 2017, 46(1): 34-37. LI Qiuying, CHEN Jie, YIN Quansen. Structural design and heat transfer performance simulation of large LNG heat exchanger[J]. Petroleum and Natural Gas Chemical Industry, 2017, 46(1): 34-37.

［6］ 魏樂(lè), 馬彬彬. 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的省煤器建模與仿真[J]. 熱力發(fā)電, 2017, 46(10): 36-40. WEI Le, MA Binbin. Modeling and Simulation of economizer based on system dynamics[J]. Thermal Power Generation, 2017, 46(10): 36-40.

［7］ 王慶鋒, 龐鑫, 趙雙. 管殼式換熱器傳熱效率影響因素及數(shù)值模擬分析[J]. 石油機(jī)械, 2015(10): 102-107. WANG Qingfeng, PANG Xin, ZHAO Shuang. The numerical simulation analysis on heat transfer efficiency influence factors of shell and tube heat exchanger[J]. China Petroleum Machinery, 2015(10): 102-107.

［8］ 黨明巖, 方毅. 折流擋板對(duì)管殼式換熱器殼程流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬[J]. 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 36(1): 17-20. DANG Mingyan, FANG Yi. Flow field numerical simulation of effect of the baffle on the shell side of shell-and-tube heat exchanger[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2017, 36(1): 17-20.

［9］ CHEN Y P, SHENG Y J, DONG C, et al. Numerical simulation on flow field in circumferential overlap trisection helical baffle heat exchanger[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 1035-1043.

［10］ TZANETAKIS T, MOLOODI S, FARRA N, et a1. Spray combustion and particulate matter emissions of a wood derived fast pyrolysis liquid ethanol blend in a pilot stabilized swirl burner[J]. Energy & Fuels, 2011, 25(4): 1405-1422.

［11］ 申加旭. 地溝油及其生物柴油工業(yè)爐窯內(nèi)霧化特性模擬研究[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2018: 31-42.SHEN Jiaxu. Simulation of atomization characteristics of ditch oil and its biodiesel industrial furnaces[D]. Kunming: Kunming University of Technology, 2018: 31-42.

［12］ RAJ K T R, SRIKANTH G. Shell side numerical analysis of a shell and tube heat exchanger considering the effects of baffle inclination angle on fluid flow using CFD[J]. Thermal Science, 2012, 16(4): 26-30.

［13］ 付磊, 付麗婭, 唐克倫, 等. 基于FLUENT的管殼式換熱器殼程流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 25(3): 17-21. FU Lei, FU Liya, TANG Kelun, et al. Numerical simulation study of shell-side fluid in shell-and-tube heat exchanger through Fluent[J]. Journal of Sichuan University of Science and Technology (Natural Science), 2012, 25(3): 17-21.

［14］ FABIO D L, SIMONE M, SALVATORE M, et al. An extended verification and validation study of CFD simulations for planing hulls[J]. Journal of Ship Research, 2016, 60(2): 101-118.

［15］陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 2版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2001: 5-7. TAO Wenquan. Numerical heat transfer[M]. 2nd ed. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2001: 5-7.

Influence of inclination angle of baffle on heat transfer of shell-and-tube heat exchanger: numerical simulation

CUI Haibo, GENG Xiangjin

(Yunnan Electric Power Test Research Institute (Group) Co., Ltd., Kunming 650217, China)

By using the CFD software, numerical model of a small scale shell-and-tube heat exchanger was established, and the influence of inclined angle (0°, 5°, 10°, 15°, 30° and 45°) of the baffle on internal flow field and heat transfer effect of the heat exchanger was studied. The results show that, the temperature rise rate and the total heat transfer rate are affected by the inclination angle of the baffle at different inlet flow velocities (0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 m/s). The pressure drop decreases with the increase of the inclination angle at different inlet flow velocities. A smaller pressure drop rate, a larger temperature rise rate, and a larger total heat transfer rate could be obtained when the inclination angle is 5°.

heat exchanger, shell-and-tube, baffle, inclination angle, temperature rise rate, total heat transfer rate, pressure drop, heat transfer effect

TK172

A

10.19666/j.rlfd.201809168

崔海波, 耿向瑾. 折流擋板傾斜角度對(duì)管殼式換熱器傳熱影響的數(shù)值模擬[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(5): 31-35. CUI Haibo, GENG Xiangjin. Influence of inclination angle of baffle on heat transfer of shell-and-tube heat exchanger: numerical simulation[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 31-35.

2018-09-04

崔海波(1979—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)楣?jié)能減排新技術(shù)研究與應(yīng)用，707708915@qq.com。

（責(zé)任編輯 李園）