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(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211800)

熱交換器廣泛應(yīng)用于發(fā)電、化工、石油煉化及食品生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域[1]。在化工廠建設(shè)中，熱交換器投資在全部工藝設(shè)備投資中的占比高達(dá)10%～20%，熱交換器能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到生產(chǎn)能否正常開(kāi)展，因此熱交換器的結(jié)構(gòu)必須安全可靠并且堅(jiān)固耐用[2]。

熱交換器設(shè)計(jì)單位和制造廠家通常將精力集中在換熱管、管板、設(shè)備法蘭、封頭和殼體等主要受壓部件上，對(duì)隔板、防沖板等輔助部件缺少必要的關(guān)注[3]。在殼程設(shè)置防沖結(jié)構(gòu)，可以防止流體直接沖擊造成的換熱管沖蝕和振動(dòng)，同時(shí)也能避免換熱管受熱不均而產(chǎn)生熱應(yīng)力。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的的防沖結(jié)構(gòu)是在進(jìn)口處加裝防沖板。防沖板的缺點(diǎn)是容易造成管殼式熱交換器殼程進(jìn)口處壓力過(guò)高以及殼程整體壓力損失過(guò)大，進(jìn)而影響熱交換器整體性能。防沖板在使用過(guò)程中長(zhǎng)期受高速流體沖擊,其與殼體連接處焊縫容易開(kāi)裂，并因此脫落砸壞熱交換器最上面一層管束，導(dǎo)致熱交換器無(wú)法正常工作[4]。因此，防沖結(jié)構(gòu)的改進(jìn)顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)的防沖結(jié)構(gòu)研究大多數(shù)集中在防沖效果上，較少關(guān)注防沖結(jié)構(gòu)對(duì)熱交換器性能的不利影響[5-8]。熱交換器發(fā)生故障的重要原因之一是換熱管損壞及其引發(fā)的泄漏，損壞的換熱管絕大部分位于進(jìn)口的第1排和第2排位置，而第3排換熱管很少損壞。美國(guó)HEI在其設(shè)計(jì)的熱交換器中用圓鋼替代第1、第2排的換熱管，起到防沖作用的同時(shí)消除了傳統(tǒng)防沖板使用過(guò)程中出現(xiàn)的開(kāi)裂、脫落、砸壞換熱管等問(wèn)題[9]。

文中利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)流場(chǎng)分析軟件FLUENT研究管殼式熱交換器防沖裝置。CFD方法具有速度快、費(fèi)用低、能模擬較為復(fù)雜和較理想過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)[10]，被越來(lái)越多的學(xué)者采用，已經(jīng)成為熱交換器輔助設(shè)計(jì)的重要手段之一[11-15]。文中對(duì)加裝防沖板的管殼式熱交換器和加裝防沖桿的管殼式熱交換器分別進(jìn)行殼程流場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析改進(jìn)后的防沖桿結(jié)構(gòu)對(duì)熱交換器性能的影響。

1 管殼式熱交換器防沖結(jié)構(gòu)模型

1.1 建模與模型參數(shù)

管殼式熱交換器防沖高度18 mm，殼程內(nèi)徑300 mm，殼程總長(zhǎng)1 500 mm，進(jìn)、出口管內(nèi)徑50 mm，換熱管外徑20 mm, 換熱管數(shù)量62根，換熱管間距30 mm。使用Solidworks軟件建立管殼式熱交換器幾何模型，見(jiàn)圖1。

圖1 管殼式熱交換器三維模型

對(duì)圖1所示管殼式熱交換器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略換熱管束、折流板之間的空隙，忽略殼體、折流板之間的空隙，建立防沖結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后2種管殼式熱交換器的三維物理結(jié)構(gòu)模型，見(jiàn)圖2。管殼式熱交換器原防沖結(jié)構(gòu)為防沖板，有效寬度102 mm，有效長(zhǎng)度102 mm。改進(jìn)后防沖結(jié)構(gòu)為防沖桿，有效寬度102 mm，排列層數(shù)2層。

圖2 改進(jìn)前后管殼式熱交換器側(cè)視圖

1.2 邊界條件與計(jì)算方法

基于殼程流體流動(dòng)與換熱過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，殼程進(jìn)口取入口速度為控制變量，對(duì)加裝不同防沖結(jié)構(gòu)的熱交換器殼程入口，設(shè)置5種進(jìn)口流速vin,分別為4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s和12 m/s。殼程流體進(jìn)口溫度Tin設(shè)置為300 K。

將殼程的流體種類設(shè)置為常溫空氣，流動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為充分發(fā)展，出口設(shè)置為outflow出口。殼程內(nèi)壁表面、折流板兩側(cè)表面及熱交換器兩端面均采用絕熱邊界條件，忽略折流板的導(dǎo)熱及殼程流體與外界的熱交換。

管程流體種類設(shè)置為高溫流體，換熱管外壁面為恒溫壁面條件,換熱管外壁面溫度T=500 K。殼程介質(zhì)空氣密度為1.225 kg/m3，比熱容為1.006×103J/(kg·K)，熱導(dǎo)率為0.024 2 W/(m·K)，黏度為1.789 4×10-5Pa·s。

利用Workbench中的meshing模塊對(duì)建立的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在分析中采用單精度求解器，非耦合穩(wěn)態(tài)隱式求解(simplec)，方程選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型(湍流模型)和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

2 管殼式熱交換器性能計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 速度場(chǎng)

殼程進(jìn)口流速為4 m/s時(shí), 改進(jìn)前后管殼式熱交換器x=106 mm處殼程進(jìn)口截面的速度云圖見(jiàn)圖3。從圖3a可以看出，高速流體由進(jìn)口進(jìn)入之后，由于防沖板的作用使得流體向防沖板四周進(jìn)行擴(kuò)散，防沖板周圍的流體流速為1.6 m/s左右。從圖3b可以看出，流體從進(jìn)口以4 m/s的速度流入殼程，經(jīng)過(guò)防沖桿的作用之后，流體速度降低到了1.2 m/s左右。

分析認(rèn)為，對(duì)加裝了防沖板的管殼式熱交換器，流體從殼程進(jìn)口進(jìn)入，由于受到防沖板的阻擋，大部分流體發(fā)生折流后從防沖板與筒體內(nèi)壁之間流出，此時(shí)流體具有較高流速，直接流動(dòng)至筒體內(nèi)壁，在一定程度上對(duì)筒體內(nèi)壁產(chǎn)生了沖蝕。對(duì)加裝了防沖桿的管殼式熱交換器，流體從殼程進(jìn)口進(jìn)入后，流體一直向前，流動(dòng)的方向與換熱管垂直，因正對(duì)著防沖桿，所以會(huì)對(duì)防沖桿形成沖擊，此時(shí)流體的通流截面積是第1排防沖桿圓管之間形成的空間面積，此空間截面積比進(jìn)口的面積減小很多，使第1排防沖桿間的流速增大，達(dá)到流體在圓形進(jìn)口管內(nèi)流速的數(shù)倍。第2排防沖桿也受到了直接沖擊，此時(shí)流體略有擴(kuò)散，流速比經(jīng)過(guò)第1排防沖桿時(shí)略有下降，但仍偏高。流體流過(guò)2排防沖桿后到達(dá)第1排換熱管時(shí)，因前2排防沖桿的阻擋，換熱管已不再受到流體的直接沖擊，而氣流再次擴(kuò)散也使流速進(jìn)一步降低，因此起到了防沖效果。

圖3 改進(jìn)前后管殼式熱交換器x=106 mm處殼程進(jìn)口截面速度云圖

2.2 阻力損失

防沖結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后管殼式熱交換器殼程進(jìn)、出口壓降隨進(jìn)口流速的變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 管殼式熱交換器殼程進(jìn)出口壓降隨進(jìn)口流速變化曲線

從圖4可以看出，在殼程進(jìn)口流速范圍內(nèi)，無(wú)論是加裝了防沖板的管殼式熱交換器還是加裝了防沖桿的管殼式熱交換器，其殼程壓降都隨著殼程進(jìn)口流速的增大而增大，而且增加的速率越來(lái)越快。加裝防沖桿的管殼式熱交換器殼程壓降始終低于加裝防沖板的管殼式熱交換器的壓降，并且二者的差異隨著殼程進(jìn)口流速的增大而增大。當(dāng)殼程進(jìn)口流速為4 m/s時(shí)，加裝了防沖板的管殼式熱交換器殼程壓降為29.46 Pa，加裝了防沖桿的管殼式熱交換器殼程壓降為23.54 Pa，兩者差值為5.92 Pa。當(dāng)殼程進(jìn)口流速增至12 m/s時(shí)，兩者殼程壓降差值增加到了54.76 Pa。在研究的殼程進(jìn)口流速范圍內(nèi)，改進(jìn)后的熱交換器與改進(jìn)前的熱交換器相比，殼程壓降平均降低了20.48%。

2.3 換熱性能

改進(jìn)前后管殼式熱交換器殼程對(duì)流傳熱系數(shù)隨進(jìn)口流速的變化情況見(jiàn)圖5。

圖5 管殼式熱交換器殼程傳熱系數(shù)隨進(jìn)口流速變化曲線

從圖5中可以看出，2種類型的防沖結(jié)構(gòu)的管殼式熱交換器殼程傳熱系數(shù)都隨著進(jìn)口流速的增大而增大，原因是流體流速越大，對(duì)換熱管的沖刷程度越強(qiáng)，換熱能力越強(qiáng)，傳熱系數(shù)也就越大。相同流速下，防沖結(jié)構(gòu)為防沖板的管殼式熱交換器傳熱系數(shù)總是要略大于防沖桿結(jié)構(gòu)管殼式熱交換器的傳熱系數(shù)，但是隨著流速的增大，二者的差別并沒(méi)有發(fā)生大的變化。

據(jù)圖5完成的進(jìn)一步計(jì)算表明，在所模擬的流速范圍內(nèi)，改進(jìn)后的管殼式熱交換器與改進(jìn)前的管殼式熱交換器相比，其殼程的平均傳熱系數(shù)僅降低了0.9%。分析認(rèn)為，這是因?yàn)楣軞な綗峤粨Q器進(jìn)口處折流板的分隔作用限制了防沖結(jié)構(gòu)對(duì)整體換熱作用的影響。

2.4 綜合性能

熱交換器的殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和殼程壓降是反映熱交換器性能的重要指標(biāo)，但是僅從一個(gè)方面單純研究表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或者壓降并不能反映熱交換器的整體換熱性能好壞。本文采用性能系數(shù)，即殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與進(jìn)出口壓降的比值α/Δp評(píng)定殼程換熱性能。

α/Δp是目前管殼式熱交換器殼程強(qiáng)化傳熱研究中常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于衡量熱交換器的整體指標(biāo)，在大多數(shù)的熱交換器流動(dòng)與傳熱中被廣泛應(yīng)用。2種防沖結(jié)構(gòu)的管殼式熱交換器綜合性能系數(shù)隨進(jìn)口流速的變化情況見(jiàn)圖6。

圖6 2種防沖結(jié)構(gòu)管殼式熱交換器綜合性能系數(shù)隨進(jìn)口流速變化曲線

從圖6可以看出，2種防沖結(jié)構(gòu)管殼式熱交換器的綜合性能系數(shù)隨著進(jìn)口流速的增大都有減小的趨勢(shì)。相同流速下，采用防沖桿的管殼式熱交換器的綜合性能系數(shù)總是比采用防沖板的管殼式熱交換器的綜合性能系數(shù)大。

據(jù)圖6完成的進(jìn)一步計(jì)算表明，當(dāng)進(jìn)口流速為4 m/s時(shí)，防沖板熱交換器和防沖桿熱交換器的綜合性能系數(shù)分別為0.053 3和0.064 6，二者相差0.011 3。當(dāng)進(jìn)口流速為12 m/s時(shí)，二者的綜合性能系數(shù)分別為0.016 5和0.020 7，二者相差0.004 2。在所研究的進(jìn)口流速范圍內(nèi)，采用防沖桿后熱交換器的綜合性能系數(shù)平均提高了23.35%。

3 結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值模擬方法，對(duì)防沖結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的管殼式熱交換器殼程流動(dòng)與換熱性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，受殼程進(jìn)口折流板的分隔影響，管殼式熱交換器防沖結(jié)構(gòu)對(duì)殼程的換熱性能影響非常有限，改進(jìn)后的管殼式熱交換器傳熱系數(shù)略低于改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)。防沖結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，管殼式熱交換器殼程進(jìn)口壓力變小，避免了進(jìn)口流體長(zhǎng)期因高壓沖擊引起防沖結(jié)構(gòu)脫落帶來(lái)的一系列負(fù)面影響，相比改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)具有更小的流動(dòng)阻力和壓降。改進(jìn)后的管殼式熱交換器綜合性能系數(shù)大于改進(jìn)前的管殼式熱交換器。整體上，采用防沖桿作為防沖結(jié)構(gòu)的管殼式熱交換器綜合性能更優(yōu)。