傾斜折流柵式換熱器殼程流體流動與傳熱特性

古新，秦曉柯，王永慶，張大波，劉敏珊

?

傾斜折流柵式換熱器殼程流體流動與傳熱特性

古新1，秦曉柯1，王永慶1，張大波2，劉敏珊1

（1鄭州大學(xué)河南省過程傳熱與節(jié)能重點實驗室，河南鄭州 450002；2中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南鄭州 450001）

針對斜向流換熱器殼程流體流動的特點，提出一種傾斜折流柵式換熱器。采用CFD軟件Fluent對常規(guī)斜向流換熱器和傾斜折流柵式換熱器進(jìn)行數(shù)值研究，分析了折流柵的裝配方式和傾斜角度對傾斜折流柵式換熱器殼側(cè)流體流動和傳熱性能的影響。結(jié)果表明：與常規(guī)斜向流換熱器相比，柵片同向裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能分別增加6.18%～6.47%和3.22%～3.59%；柵片同向裝配，折流柵傾斜角為70°時，換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能均達(dá)到最大，且殼程壓降較小。與傾斜角為60°的傾斜折流柵式換熱器相比，傾斜角為70°的傾斜折流柵式換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能分別增加2.84%～2.93%和7.07%～7.19%，且殼程壓降降低11.26%～11.52%。所得結(jié)論為改進(jìn)斜向流換熱器折流柵的結(jié)構(gòu)和強化傳熱提供理論與工程應(yīng)用依據(jù)。

流動；傳熱；數(shù)值模擬；傾斜折流柵；裝配方式；傾斜角度

管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)費用低、換熱效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于石油、化工、機械等領(lǐng)域，因此，研究管殼式換熱器的強化傳熱技術(shù)具有重要意義[1-2]。斜向流換熱器是一種新型高效節(jié)能的管殼式換熱器，既解決了橫向流換熱器死區(qū)大、壓降高、易結(jié)垢等問題，又彌補了縱向流換熱器殼程流體擾動程度較弱的不足，綜合了橫向流和縱向流的各自獨特性能，兼?zhèn)淞硕叩碾p重優(yōu)勢，具有較為明顯的傳熱強化和流動減阻性能[3-5]。

本文作者課題組[6]在既往研究中采用周期性模型研究了正方形布管下折流柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對斜向流換熱器殼程傳熱性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明折流片傾角和折流柵間距對換熱器的傳熱與流阻性能均有顯著影響。劉冰[7]對圓孔型和方孔型斜向流換熱器的流場和溫度場進(jìn)行了數(shù)值研究，對比分析了折流片形狀對換熱器傳熱和流阻性能的影響?，F(xiàn)有的研究比較系統(tǒng)地分析了折流柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對斜向流換熱器殼程流體流動和換熱的影響，但主要集中在折流片傾角、形狀及折流柵間距等方面，而未考慮折流柵排布方式的影響。

常規(guī)斜向流換熱器折流柵垂直排布在殼程，傾斜的折流片雖然能夠使流體斜向流動，產(chǎn)生擾動，但是流體斜向流動的時間短，流體斜向沖刷管束的程度較弱，對于流體的擾動效果提升有限，換熱效率仍處于較低的水平[8]。

本文通過分析斜向流換熱器的強化傳熱機理，提出一種具有新型管束支撐和擾流結(jié)構(gòu)的換 熱器——傾斜折流柵式換熱器；其折流柵在殼程呈傾斜排布，由于折流柵傾斜排布，使得折流片沿軸向排開，延長流體斜向流動時間，增加殼程流體斜向沖刷管束的程度，提高流體流動的擾動程度。常規(guī)斜向流換熱器和傾斜折流柵式換熱器換熱管束和折流柵裝配示意圖如圖1所示。采用CFD軟件Fluent對斜向流換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并 考察折流柵裝配方式和傾斜角度對傾斜折流柵式換熱器殼側(cè)流體流動和傳熱特性的影響，為斜向流換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能優(yōu)化提供了參考依據(jù)，為管殼式換熱器升級換代提供一種可供選擇的結(jié)構(gòu) 型式。

圖1 折流柵與換熱管裝配示意圖

1 計算模型與數(shù)值方法

1.1 計算模型

斜向流換熱器的計算區(qū)域模型和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見圖2和表1。常規(guī)斜向流換熱器折流柵垂直排布在殼程，如圖2(a)所示；傾斜折流柵式換熱器折流柵在殼程呈傾斜排布，使得折流柵中的折流片沿軸向排開，如圖2(b)所示，由于折流片和折流柵同管束軸線均呈一定的傾斜角度，根據(jù)折流片與折流柵傾斜方向的不同，折流柵的裝配方式有3種類型，分別為柵片同向、柵片反向和柵片對稱，如圖3所示。本文將折流片與管束軸線的夾角記為，折流柵與管束軸線的夾角記為，兩種換熱器中折流片與管束軸線的夾角均取45°[3]。對應(yīng)折流柵的3種裝配方式，分別建立角為90°的常規(guī)斜向流換熱器模型a1和角為70°的傾斜折流柵式換熱器模型b1、b2、b3。

圖2 斜向流換熱器計算區(qū)域模型

表1 斜向流換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 網(wǎng)格劃分

建立換熱器模型，生成四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。綜合考慮計算時間和計算精度，并通過網(wǎng)格獨立性驗證，最終確定換熱器模型為a1、b1、b2、b3的網(wǎng)格數(shù)分別為3.43×106、3.64×106、3.44×106、3.43×106，此時換熱器殼程傳熱系數(shù)和殼程壓降偏差均小于1.5%。取殼程雷諾數(shù)為4200m/s，網(wǎng)格獨立性驗證結(jié)果見表2。

圖3 傾斜折流柵結(jié)構(gòu)示意圖

表2 網(wǎng)格獨立性驗證

1.3 邊界條件及求解設(shè)置

取常物性水作為殼程介質(zhì)。殼程進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，出口設(shè)為壓力出口；進(jìn)口溫度為20℃，換熱管壁為恒壁溫85℃；折流柵及殼體壁面均設(shè)為絕熱。湍流模型采用Standard模型方程，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；采用SIMPLE法對壓力和速度進(jìn)行耦合；動量和能量離散采用二階迎風(fēng)差分格式獲取。

1.4 實驗驗證

為驗證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，對常規(guī)斜向流換熱器的殼程壓降和傳熱性能進(jìn)行測試，實驗裝置如圖4所示，包括供料系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和實驗?zāi)Ｐ?個部分。供料系統(tǒng)主要提供飽和水蒸氣和干空氣；數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量、采集和處理；實驗?zāi)Ｐ蜑樾毕蛄鲹Q熱器。換熱器殼程通入干空氣，管程通入過量飽和水蒸氣，管內(nèi)的水蒸氣冷凝所釋放的汽化潛熱加熱殼程空氣，進(jìn)行傳熱。在與上述實驗相同的工況下，對斜向流換熱器整體計算模型進(jìn)行數(shù)值計算，實驗值與計算值如圖5所示，結(jié)果表明殼程傳熱系數(shù)最大偏差為18.89%，壓降最大偏差為13.64%，偏差在允許的范圍內(nèi)，數(shù)值計算的結(jié)果是合理可靠的。引起偏差的主要原因一方面是數(shù)值模擬過程中簡化了模型和邊界條件設(shè)置，如忽略管板和管箱等部件，折流柵和殼體壁面設(shè)為絕熱等；另一方面是實驗過程中造成的偏差。

圖4 實驗裝置圖

2 計算結(jié)果分析

2.1 殼程流場分析

殼程雷諾數(shù)為6000時，常規(guī)斜向流換熱器和傾斜折流柵式換熱器殼程整體流線分布如圖6所示。由圖6可知，由于折流片的導(dǎo)流作用，斜向流換熱器殼程流體流動呈現(xiàn)出若干連續(xù)傾斜的倒V形通道。與常規(guī)斜向流換熱器相比，傾斜折流柵式換熱器殼程折流片沿軸向排開，柵片同向裝配時，折流柵上的折流片排布緊湊，增加了殼程流體整體的擾動程度，流體斜向沖刷管束的程度增強；柵片反向裝配時，折流柵上原本排布緊湊的折流片分散開，流線變得較為平緩，殼程流體的斜向流動程度降低；柵片對稱裝配時，由于任意兩相鄰折流柵上的折流片對稱設(shè)置，殼程流體的局部流動方向受到影響，流體在殼程流動的范圍變大，擾動降低。

圖5 實驗值與模擬值對比

圖6 不同折流柵排布方式的斜向流換熱器殼程流線圖

2.2 殼程傳熱系數(shù)、壓降，綜合性能分析

不同折流柵排布方式下?lián)Q熱器殼程傳熱系數(shù)隨殼程雷諾數(shù)的變化曲線見圖7。斜向流換熱器殼程傳熱系數(shù)隨殼程雷諾數(shù)的增加而增加。與常規(guī)斜向流換熱器相比，殼程雷諾數(shù)在4200～7200范圍內(nèi)，柵片同向裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程傳熱系數(shù)增加6.18%～6.47%；柵片反向裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程傳熱系數(shù)降低10.95%～11.19%；柵片對稱裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程傳熱系數(shù)降低7.94%～7.97%。

不同折流柵排布方式下?lián)Q熱器殼程壓降隨殼程雷諾數(shù)的變化曲線見圖8。由圖8可知，斜向流換熱器殼程壓降隨殼程雷諾數(shù)的增加而增加。與常規(guī)斜向流換熱器相比，殼程雷諾數(shù)在4200～7200范圍內(nèi)，柵片同向裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程壓降增加8.54%～8.88%；柵片反向裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程壓降降低5.34%～5.41%；柵片對稱裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程壓降幾乎沒有變化。

以/1/3作為評價換熱器綜合性能的指 標(biāo)[9-10]。換熱器殼程綜合性能隨殼程雷諾數(shù)的變化曲線見圖9。由圖9可知，斜向流換熱器殼程綜合性能隨殼程雷諾數(shù)的增加而增加。與常規(guī)斜向流換熱器相比，殼程雷諾數(shù)在4200～7200范圍內(nèi)，柵片同向裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程綜合性能增加3.22%～3.59%；柵片反向裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程綜合性能降低9.28%～9.55%；柵片對稱裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程綜合性能降低7.90%～7.93%。

圖7 傳熱系數(shù)隨殼程雷諾數(shù)的變化

圖8 壓降隨殼程雷諾數(shù)的變化

綜上，折流柵傾斜排布后，柵片同向裝配時，換熱器殼程傳熱系數(shù)、壓降、綜合性能均有所增加；柵片反向裝配時，換熱器殼程傳熱系數(shù)、壓降、綜合性能均降低；柵片對稱裝配時，換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能均有所降低，壓降幾乎沒有變化。

柵片同向裝配時，由殼程流線圖6(b)可以看出，折流片沿軸向排開，增加殼程流體斜向流動的時間，片與片之間排布的相當(dāng)緊湊，增強了流體斜向沖刷管束的程度，減薄管束外壁面的邊界層，傳熱熱阻減小，換熱器傳熱系數(shù)增大；同時片與片之間排布緊湊，流體不斷地沖擊折流片，產(chǎn)生動能損失，增加殼程流體流動的阻力，殼程壓力損失增大；但殼程傳熱系數(shù)增加的幅度大于壓降增加的幅度，換熱器殼程綜合性能增加。因此，通過將傾斜折流柵式換熱器中的折流柵與折流片同向裝配，可以達(dá)到強化換熱的目的。

2.3 折流柵傾角對換熱器綜合性能的影響

通過2.2節(jié)的分析可知，柵片同向裝配時，傾斜折流柵式換熱器較常規(guī)斜向流換熱器殼程綜合性能增加。為進(jìn)一步優(yōu)化柵片同向裝配時的折流柵結(jié)構(gòu)，保持換熱器其他參數(shù)不變，改變折流柵的傾斜角度，分別建立角為60°、70°和80°的換熱器模型。

柵片同向裝配時，不同折流柵傾斜角度下?lián)Q熱器殼程傳熱系數(shù)、壓降、綜合性能隨殼程雷諾數(shù)的變化曲線見圖10。通過分析可知，當(dāng)折流柵傾斜角為70°時，換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能均達(dá)到最大，且此時殼程壓降較小，因此，70°傾斜角為最優(yōu)傾斜角。與傾斜角為60°的換熱器相比，傾斜角為70°的換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能分別增加2.84%～2.93%和7.07%～7.19%，且殼程壓降降低11.26%～11.52%。

綜上可知，對于傾斜折流柵式換熱器，由于折流柵和折流片與管束軸線均有一定的傾斜角度，通過改變折流柵的裝配方式和傾斜角度，可以優(yōu)化折流柵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)強化傳熱和流動減阻的目的。

3 結(jié)論

對常規(guī)和新型兩種斜向流換熱器進(jìn)行了數(shù)值和實驗對比研究，并分析了折流柵裝配方式和傾斜角度對新型斜向流換熱器殼程傳熱性能的影響。

（1）與常規(guī)斜向流換熱器相比，柵片同向裝配時，傾斜折流柵式換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能分別增加6.18%～6.47%和3.22%～3.59%。

（2）柵片同向裝配，折流柵傾斜角度為70°時，換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能均達(dá)到最大，且殼程壓降較小，因此，70°傾斜角為最優(yōu)傾斜角。與傾斜角為60°的換熱器相比，傾斜角為70°的換熱器殼程傳熱系數(shù)和綜合性能分別增加2.84%～2.93%和7.07%～7.19%，且殼程壓降降低11.26%～11.52%。

圖10 殼程傳熱系數(shù)、壓降、綜合性能隨雷諾數(shù)的變化

（3）柵片同向裝配時，傾斜折流柵式換熱器折流片沿軸向排開，流體斜向流動的時間增加，片與片之間排布緊湊，流體的擾動程度增加，強化傳熱。

（4）通過合理改變斜向流換熱器折流柵的裝配方式和傾斜角度，優(yōu)化折流柵結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)強化傳熱和流動減阻的目的。

[1] 董其伍，張垚. 換熱器[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

DONG Q W，ZHANG Y. Heat exchanger[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2009.

[2] HOUKUAN T，LAPMOU T，SIKCHUNG T，et al. New optimization method，the algorithms of changes，for heat exchanger design [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2012，25（1）：55-62.

[3] 古新，王珂，劉冰，等. 三角形布管簾式折流片換熱器傳熱和流阻性能研究[J]. 工程熱物理學(xué)報，2013（7）：1327-1330.

GU X，WANG K，LIU B，et al. Research on heat transfer and flow resistance performance of shutter baffle heat exchanger with triangle tube layout in shell side[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2013（7）：1327-1330.

[4] XIAO X M，ZHANG L H，LI X G，et al. Numerical investigation of helical baffles heat exchanger with different Prandtl number fluids[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，63（15）：434-444.

[5] 徐燁琨，劉成，李永輝. 折流桿換熱器的研究方法進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2014，33（7）：1671-1676.

XU Y K，LIU C，LI Y H. Progress of rod baffle heat exchanger[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2014，33（7）：1671-1676.

[6] 古新，董其伍，劉敏珊，等. 簾式折流片換熱器強化傳熱數(shù)值研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2010，24（2）：340-345.

GU X，DONG Q W，LIU M S，et al. Numerical research on heat transfer enhancement of shutter baffle heat exchanger[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2010，24（2）：340-345.

[7] 劉冰. 簾式折流片換熱器殼程結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

LIU B. Structure optimum for shutter baffle heat exchanger[D]. Zhengzhou：Zhengzhou University，2012.

[8] 古新，王珂，董其伍，等. 斜向流換熱器殼程流場均勻化研究[J]. 工程熱物理學(xué)報，2012，33（7）：1237-1239.

GU X，WANG K，DONG Q W，et al. Research on flow field homogenization in shell side of sidelling flow heat exchanger[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2012，33（7）：1237- 1239.

[9] WANG Y Q，GU X，JIN Z L，et al. Characteristics of heat transfer for tube banks in crossflow and its relation with that in shell-and-tube heat exchangers[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2016，93：584-594.

[10] 譚祥輝，孫赫，張立振，等. 扭曲橢圓管換熱的殼程強化傳熱特性[J]. 化工學(xué)報，2012，63（3）：713-720.

TAN X H，SUN H，ZHANG L Z，et al. Shell side heat transfer enhancement in twisted elliptical tube heat exchanger[J]. CIESC Journal，2012，63（3）：713-720.

Research on fluid flow and heat transfer characteristics in shell side of inclined shutter baffle heat exchanger

GU Xin1，QIN Xiaoke1，WANG Yongqing1，ZHANG Dabo2，LIU Minshan1

（1Key Laboratory of Process Heat Transfer and Energy Saving of Henan Province，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，Henan，China；2Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC，Zhengzhou 450001，Henan，China）

Based on the fluid flow characteristics of the shell-side of the sideling flow heat exchanger，a sideling flow heat exchanger with inclined shutter baffles was proposed. The numerical study of the conventional and inclined shutter baffles sideling flow heat exchangers was carried out with Fluent，a kind of CFD software，and the impacts of the modes the shutter baffle assembled and inclination angle on the fluid flow and heat transfer of sideling flow heat exchanger with inclined shutter baffles was analyzed. The results showed that the heat transfer coefficient and comprehensive performance of the inclined shutter baffle heat exchangers increase by 6.18%—6.47% and 3.22%—3.59% respectively，compared with the conventional sideling flow heat exchanger when the shutter baffles and strips were assembled concurrently. When the shutter baffles and strips were assembled concurrently，both heat transfer coefficient and comprehensive performance of the inclined shutter baffle heat exchangers with inclination angle of 70° reach the highest value with a relatively low shell side pressure drop. Compared with the heat exchanger with inclination angle of 60°，the heat transfer coefficient and comprehensive performance of the one with inclination angle of 70°increase by 2.84%—2.93% and 7.07%—7.19% respectively，and the shell-sided pressure drop decreases by 11.26%—11.52%. The results provide the theoretical and engineering application bases for the structure improvement and heat transfer enhancement of the sideling flow heat exchanger.

flow；heat transfer；numerical simulation；inclined shutter baffle；assembly mode；inclination angle

TK124

A

1000–6613（2017）10–3584–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0209

2017-02-13；

2017-03-01。

國家自然科學(xué)基金（21776263）及河南省高等學(xué)校重點科研項目（18A470001）。

古新（1978—），男，博士，副教授，主要從事新型高效節(jié)能換熱設(shè)備的研究。

張大波，工程師，研究方向為過程設(shè)備流體流動與強化傳熱。E-mail：13523543232@126.com。