板殼式熱交換器入口管箱流體分布數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化①

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(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070)

板殼式熱交換器[1-2]的板束裝在圓殼內(nèi)，使板殼式熱交換器既具有板式熱交換器傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、端部溫差小、壓降低及質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，又具有管殼式熱交換器承壓高、耐高溫及密封性能好等優(yōu)點(diǎn)[3-6]。

板殼式熱交換器連接接管與板束的結(jié)構(gòu)有半圓拱及天圓地方2種結(jié)構(gòu)，隨著對(duì)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)改用天圓地方結(jié)構(gòu)后設(shè)備承壓能力及流體分布情況均較采用半圓拱結(jié)構(gòu)更優(yōu)。流體在板束內(nèi)的分布均勻性對(duì)熱交換器的換熱效率影響較大，尤其在入口管箱處，由于天圓地方的特殊結(jié)構(gòu)，流通截面積由小變大，流體易發(fā)生旋渦及死區(qū)現(xiàn)象，導(dǎo)致其進(jìn)入板束時(shí)分布不均勻。因此，研究流體在管箱內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)具有重要意義，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將極大提高熱交換器的性能，延長(zhǎng)使用壽命。

文中對(duì)某臺(tái)板殼式熱交換器入口管箱(天圓地方結(jié)構(gòu))進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流體由接管進(jìn)入管箱時(shí)的分布情況，同時(shí)提出增加導(dǎo)流板和增大進(jìn)口接管尺寸2種優(yōu)化及改進(jìn)建議。

1 優(yōu)化前入口管箱流體分布數(shù)值模擬

1.1 三維建模

某板殼式熱交換器天圓地方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。按照設(shè)備尺寸對(duì)其進(jìn)行三維建模，并適當(dāng)簡(jiǎn)化。模型總長(zhǎng)4 000 mm，流體進(jìn)口尺寸?600 mm，出口尺寸1 600 mm×2 500 mm。由于模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)[7]，采用1/4對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化后的入口管箱計(jì)算模型見圖2。

圖1 板殼式熱交換器的天圓地方結(jié)構(gòu)示圖

1.2 網(wǎng)格劃分

入口管箱模型較為復(fù)雜，篩板尺寸較小，整體模型較大，故采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在篩板處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，在其他區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格粗化，網(wǎng)格總數(shù)約為1千萬。這樣不但可以提高計(jì)算精度，減少計(jì)算內(nèi)存，還可以提高計(jì)算效率。

圖2 優(yōu)化前入口管箱三維計(jì)算模型

1.3 邊界條件

本次計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[8-10]，入口為速度入口，出口為自由流出口。入口壓力0.5 MPa(g)，入口速度25 m/s，介質(zhì)密度2.5 kg/cm3，介質(zhì)黏度0.01 mPa·s。為簡(jiǎn)化計(jì)算過程做如下假設(shè)：①工藝介質(zhì)密度為常數(shù)，默認(rèn)為不可壓縮流體。②介質(zhì)在入口處均勻分布。③忽略重力對(duì)流動(dòng)的影響。

1.4 計(jì)算結(jié)果

在板束疊厚方向截取的對(duì)稱面流線分布見圖3。從圖3可以看出，在板束疊厚方向上，流體由進(jìn)口接管進(jìn)入板束時(shí)，由于天圓地方的特殊結(jié)構(gòu)，流體在其頂部及底部產(chǎn)生較大旋渦[11-14]。

圖3 優(yōu)化前板束疊厚方向上對(duì)稱面流線分布

板片寬度方向上截取的對(duì)稱面的流線分布見圖4。從圖4可以看出，在板寬方向上，流體經(jīng)天圓地方結(jié)構(gòu)進(jìn)入板束時(shí)分布較好，未產(chǎn)生旋渦。截取距離板束400 mm處的截面，計(jì)算得到進(jìn)口截面與該截面的總壓力損失為8 600 Pa。

圖4 優(yōu)化前板片寬度方向?qū)ΨQ面流線分布

2 增加導(dǎo)流板后入口管箱流體分布數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

流體在板束疊厚方向上流體分布不均勻，產(chǎn)生較大旋渦，但在板寬方向上分布較好。為此在板束疊厚方向上設(shè)置導(dǎo)流板，對(duì)流體進(jìn)行導(dǎo)流，改變其流動(dòng)方向，避免產(chǎn)生較大旋渦。增加導(dǎo)流板后的天圓地方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖5，計(jì)算模型見圖6。

圖5 增加導(dǎo)流板后天圓地方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖6 增加導(dǎo)流板的入口管箱三維計(jì)算模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

同樣在板束疊厚方向上截取對(duì)稱面，模擬得到的流線分布見圖7。從圖7可以看出，流體由接管進(jìn)入天圓地方結(jié)構(gòu)時(shí)，在接管處被導(dǎo)流板導(dǎo)流，流體在管箱中產(chǎn)生的旋渦明顯變小，流體分布更加均勻。

圖7 增加導(dǎo)流板后板束疊厚方向?qū)ΨQ面流線分布

增加導(dǎo)流板后在板寬方向上截取對(duì)稱面模擬得到的流線分布見圖8。從圖8看出，導(dǎo)流板對(duì)該方向上的流體分布沒有影響，流體分布較好，未產(chǎn)生旋渦。截取距離板束400 mm處的截面，計(jì)算得到進(jìn)口截面與該截面總壓力損失為8 500 Pa。與不加導(dǎo)流板相比，總壓力損失減少100 Pa。造成壓力損失減少的原因是由于流體在天圓地方結(jié)構(gòu)內(nèi)的紊亂度降低[15-17]，降低了能量消耗，使壓力損失減少。

圖8 增加導(dǎo)流板后板片寬度方向?qū)ΨQ面流線分布

3 增大接管尺寸后入口管箱流體分布數(shù)值模擬

3.1 結(jié)構(gòu)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致流體在板束疊厚方向上產(chǎn)生旋渦的主要原因是由于板束疊厚尺寸太大，使得天圓地方結(jié)構(gòu)進(jìn)、出口截面比達(dá)到約1/10。若不增加導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，而是增大接管尺寸，應(yīng)該會(huì)改善流體在天圓地方結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布狀況。為驗(yàn)證這一想法，將接管尺寸增大到?1 000 mm，天圓地方結(jié)構(gòu)與接管的連接尺寸同樣增大到?1 000 mm，此時(shí)天圓地方結(jié)構(gòu)進(jìn)、出口截面比例約為1/5。

3.2 計(jì)算結(jié)果

增大接管尺寸后在板束疊厚方向截取的對(duì)稱面流線分布見圖9。從圖9可以看出，當(dāng)進(jìn)口接管尺寸由原來?600 mm增大為?1 000 mm后，流體在天圓地方結(jié)構(gòu)中的旋渦明顯減小，紊亂度降低。同時(shí)截取距離板束400 mm處的截面，計(jì)算得到進(jìn)口截面與該截面的總壓力損失為8 200 Pa，比優(yōu)化前結(jié)構(gòu)壓力損失減少400 Pa，說明增大接管尺寸可以極大改善流體在天圓地方結(jié)構(gòu)中的旋渦情況，降低壓力損失。

圖9 增大接管尺寸后板束疊厚方向?qū)ΨQ面流線分布

增大接管尺寸后在板寬方向上截取的對(duì)稱面的流線分布見圖10，可以看出流體在板寬方向上分布較均勻，未出現(xiàn)旋渦情況。

圖10 增大接管尺寸后板片寬度方向?qū)ΨQ面流線分布

4 結(jié)語

通過對(duì)某板殼式熱交換器入口管箱流體分布進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)天圓地方結(jié)構(gòu)中的流體分布十分不均勻，特別是在板束疊厚方向上出現(xiàn)較大旋渦，壓力損失增大，但在板片寬度方向上流體分布較好。為改善流體流動(dòng)狀態(tài)，減少旋渦，分別采用在天圓地方結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加導(dǎo)流板及增大接管尺寸的方法進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)計(jì)算，2種方法都可改善流體在天圓地方結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)狀態(tài)，減小旋渦尺寸，降低壓力損失。

在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格控制板束疊厚方向的尺寸，該尺寸過大易導(dǎo)致流體在入口管箱處產(chǎn)生較大旋渦及流動(dòng)死區(qū)，造成壓降增大，影響換熱效果。在實(shí)際工況允許的情況下，推薦采用增大接管尺寸的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，相比增加導(dǎo)流板的方法，該方法制造工藝更加簡(jiǎn)單，效果也更加明顯。