導(dǎo)向型折流柵強(qiáng)化換熱器殼程傳熱的數(shù)值模擬

    摘要：提出殼程流體“斜向流”的新概念，解決了管殼式換熱器性能提升的同時伴隨流體流動阻力大幅增加的矛盾。研制了具有導(dǎo)向型折流柵管束支撐結(jié)構(gòu)的新型高效節(jié)能斜向流管殼式換熱器。采用場協(xié)同理論分析該換熱器的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，證明在此類換熱器殼程中流體速度場與溫度梯度場具有良好的協(xié)同關(guān)系。數(shù)值模擬了幾何結(jié)構(gòu)對傳熱和壓降的影響規(guī)律，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

    1·引言
    目前，根據(jù)管殼式換熱器殼程流體流動方向與換熱管束的夾角不同，可將殼程流體流動形態(tài)分為橫向流、縱向流和螺旋流。殼程流體橫向沖刷換熱管束時，存在較大的流動和傳熱死區(qū)，易產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動。螺旋折流板換熱器殼程流體的流速變化較為平緩，可有效消除死區(qū)和返混現(xiàn)象，但因其制造和安裝難度大，故未能得到廣泛應(yīng)用。折流桿換熱器實(shí)現(xiàn)了殼程流體的縱向流動，表現(xiàn)出更優(yōu)的工作性能，但是結(jié)構(gòu)不夠緊湊、在低雷諾數(shù)（Re）工況下存在傳熱效果不佳的缺陷[1~4]。因此，改變管殼式換熱器殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行殼程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，改善殼程流體流動和傳熱效果是十分必要的，也是工程節(jié)能降耗的客觀要求。2斜向流管殼式換熱器簡介本文提出以換熱器殼程流體“斜向流”的方式達(dá)到傳熱強(qiáng)化和流動減阻的雙重目的。該方式將橫向流換熱器殼程主流區(qū)的橫向流動分散為多股受迫傾斜流動，并將殼程流動死區(qū)予以分散，憑借高效傳熱元件（導(dǎo)向型折流柵）予以部分消除，從而避免了流體因受橫向阻擋產(chǎn)生的速度劇烈變化和動能損失，有效利用橫向流對換熱管更為強(qiáng)烈的沖刷作用引起強(qiáng)化傳熱效果[5,6]。其總體上的縱向流動趨勢，在一定程度上繼承了縱向流換熱器抗振性能好、除垢防垢效果強(qiáng)、綜合性能優(yōu)等特點(diǎn)。其流動狀態(tài)和裝配示意圖分別如圖1和圖2所示。
               

    殼程流體在傾斜流道中受迫流動形成射流，擾動作用強(qiáng)烈。傾斜設(shè)置的折流片對殼程流體的擾動效果明顯強(qiáng)于折流桿，有助于提高主流區(qū)的湍動程度和平均流速。使用斜向折流片支撐換熱管時可采用三角形布管方式，故殼程緊湊程度比折流桿換熱器高。因斜向折流片對流體的阻擋程度小于弓形折流板且消除了大部分流動死區(qū)，殼程壓降比弓形折流板換熱器的明顯降低，故斜向流管殼式換熱器具有顯著的強(qiáng)化傳熱和流動減阻效果，尤其適合于傳熱系數(shù)要求較高而流體外加動力有限的工況場合。

    2·折流柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體流動和傳熱性能的影響   
    2.1數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算方法
    基于不可壓縮的牛頓型流體，在常物性和宏觀熱能守恒的假設(shè)下，管殼式換熱器殼程流體的流動和傳熱必須滿足以下3個控制方程[7，8]。
    （1）質(zhì)量守恒方程：

               

    典型管殼式換熱器殼程流道呈周期性變化，且某些類型的殼程流道具有對稱性。殼程沿流體流動方向可以劃分為進(jìn)口段、周期性充分發(fā)展段和出口段。換熱器殼程大部分換熱段處于周期性充分發(fā)展段；該區(qū)域的流體流動和傳熱性能反映了換熱器的整體性能。因此，建立管殼式換熱器周期性全截面計(jì)算模型，是對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究的便捷和高效的方法。在對其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化后，可建立斜向流換熱器的周期性全截面計(jì)算模型（由于結(jié)構(gòu)的對稱性，建模時取相對稱的1/2實(shí)體即可），如圖3所示。

              

    采用分塊劃分、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，數(shù)值計(jì)算方法和邊界條件具體如下：①近壁節(jié)點(diǎn)采用壁面函數(shù)法處理，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算湍流參量的影響；②采用求解壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）處理壓力和速度的耦合問題；③假定換熱管壁恒溫，殼程介質(zhì)為水或空氣，物性參數(shù)取定性溫度下的常量；④給定殼程流體的進(jìn)口質(zhì)量流量及相應(yīng)的溫度和湍流條件；⑤殼程整體計(jì)算模型的進(jìn)、出口分別為質(zhì)量進(jìn)口和壓力出口邊界條件，周期性模型的進(jìn)、出口為周期性邊界條件；⑥殼體壁面和管束支撐裝置采用不可滲透、無滑移絕熱邊界條件。

    3.2折流柵裝配方式的影響
    根據(jù)相鄰兩折流柵中折流片不同的旋向，將折流柵的裝配方式分為對稱、同向和正交3種類型。表1給出了在相同的折流柵間距、折流片傾角和折流片寬度情況下，殼程Re為104時，不同折流柵裝配方式的數(shù)值模擬結(jié)果。由表1可見，在本文取定的流量范圍內(nèi)，對于不同的裝配方式，其傳熱和壓降性能相差不大，工程中可依據(jù)實(shí)際工藝要求進(jìn)行選擇?？紤]建模方便和計(jì)算規(guī)模等因素，除特別注明外，下面數(shù)值模擬所用模型均為折流片同向裝配方式。為闡述方便，涉及到折流柵不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合結(jié)構(gòu)，均采用“折流柵間距-折流片傾角-折流片寬度”的形式表示（如“50-45-25”表示：折流柵間距為50 mm，折流片傾角為45°，折流片寬度為25mm）。
               

    3.3折流柵間距的影響
    在相同的折流片傾角和折流片寬度下，不同折流柵間距計(jì)算模型的模擬結(jié)果見圖4和圖5。
              

    由圖4可見，隨著折流柵間距的增加，殼程傳熱系數(shù)降低。由于流體流經(jīng)傾斜通道后形成射流，加之折流片的外緣突起部分對流體產(chǎn)生劇烈擾動，增強(qiáng)了折流片下游流體的湍流強(qiáng)度，換熱管外表面的邊界層減薄，熱量傳遞的熱阻減小。隨著折流柵間距的增大，折流片使管壁周圍邊界層的分離頻率減緩，從而使傳熱性能有所減弱。由圖5可見，隨著折流柵間距的增大，殼程流體流動阻力降低。由于在同等距離內(nèi)折流柵數(shù)量減少，使得流體流經(jīng)折流柵產(chǎn)生的形體阻力減小，故殼程總壓降減小。

    3.4折流片傾角的影響
    在相同的折流柵間距和折流片寬度下，不同折流片傾角計(jì)算模型的模擬結(jié)果見圖6和圖7。由圖6可見，隨著折流片傾角增大，殼程傳熱系數(shù)增大。這是因?yàn)檎哿髌瑑A角較大時，傾斜流道在殼程橫截面上的投影面積減小，故在保持殼程流量不變的情況下，更有利于提高傾斜流道中的流體流速，且流體傾斜流動時沖刷換熱管局部區(qū)域的速度橫向分量也隨之增大，故沖刷管壁的動量增大，更有利于減薄管子外圍的邊界層。

               

    由圖7可見，隨著折流片傾角增大，流體流經(jīng)折流片時的形體阻力增大，折流片下游開始出現(xiàn)回流區(qū)且回流區(qū)面積有隨傾角增大而增大的趨勢，故殼程總壓降增大。

    3.5折流片寬度的影響
    在折流柵間距和折流片傾角相同的情況下，不同折流片寬度計(jì)算模型的模擬結(jié)果見圖8。

                 

    由圖8可見，3種工況下的曲線基本重合，說明在本文取定的流量范圍內(nèi)，折流片的寬度對換熱器的傳熱和壓降性能無明顯影響。在滿足傳熱和阻降要求的情況下，折流片的寬度可以根據(jù)制造條件和實(shí)際情況進(jìn)行選取。

    3·斜向流管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱的場協(xié)同分析
    場協(xié)同原理有助于認(rèn)識對流傳熱現(xiàn)象的本質(zhì)，并指導(dǎo)開發(fā)新的對流傳熱強(qiáng)化技術(shù)。該原理認(rèn)為，在速度場、溫度梯度分布一定的條件下，二者之間的夾角（場協(xié)同角）對對流傳熱強(qiáng)度有重要影響，夾角越小，傳熱強(qiáng)度愈高[9，10]。為考察斜向流換熱器和縱向流換熱器各自的場協(xié)同性，貼近管壁沿垂直于管長方向建立2條驗(yàn)證線，分析線上各點(diǎn)處的局部場協(xié)同角與壁面對流傳熱系數(shù)的關(guān)系。
                
    圖9和圖10所示分別為斜向流管殼式換熱器和折流桿換熱器在一個流動周期內(nèi)沿其中一條驗(yàn)證線的局部場協(xié)同角與局部壁面對流傳熱系數(shù)間的關(guān)系。由圖9和圖10可見，不同位置處場協(xié)同角的大小與該處的局部壁面對流傳熱系數(shù)相對應(yīng)，局部協(xié)同性好（即場協(xié)同角小的位置），其對流傳熱系數(shù)則比較大。在斜向流管殼式換熱器中，2條驗(yàn)證線上各點(diǎn)的場協(xié)同角的平均值均小于折流桿換熱器，而各點(diǎn)的對流傳熱系數(shù)的平均值均高于折流桿換熱器（表3）。
               

    表3中的數(shù)據(jù)表明，殼程流體傾斜沖刷換熱管壁，改善了換熱管壁外的速度與溫度梯度的協(xié)同程度，在相同的殼程流體流量下，平均場協(xié)同角小于折流桿換熱器，斜向流換熱器強(qiáng)化傳熱性能優(yōu)于縱向流換熱器。

    4·結(jié)論
    （1）斜向流管殼式換熱器兼?zhèn)淞丝v向流與橫向流換熱器的雙重優(yōu)勢。在本文研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流量范圍內(nèi)，殼程流體傳熱系數(shù)隨折流柵間距的增大而減小，隨折流片傾角的增大而增大；殼程壓降隨折流柵間距的增大而減小，隨折流片傾角的增大而增大。因而，在設(shè)計(jì)斜向流管殼式換熱器時，應(yīng)綜合考慮換熱效果和壓降兩方面的影響因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求得到最佳點(diǎn)。
    （2）斜向流管殼式換熱器殼程流體傾斜沖刷換熱管壁，改善了換熱管附近的速度與溫度梯度的協(xié)同程度。在相同的殼程流體流量下，平均場協(xié)同角小于折流桿換熱器，而殼程傳熱系數(shù)高于折流桿換熱器30%～40%；與折流板換熱器相比，可明顯減弱或消除殼程流體流動和傳熱死區(qū)，進(jìn)一步有效利用換熱面積，有助于降低殼程流體流動阻力。