簾式折流板強化傳熱及CFD分析

張會平，吳成強，郭 威，王在良

（1.江蘇科圣化工機械有限公司，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院，江蘇省先進制造技術(shù)重點實驗室，江蘇 淮安 223003）

折流板常用于管殼式換熱器設(shè)計殼程介質(zhì)流道，折流板設(shè)置在殼程，能夠起到支撐管束和提高傳熱效果的作用。常用的折流板形式有弓形、盤環(huán)形、螺旋形和管孔性，其中弓形又可分為單弓形、雙弓形和三弓形等3種[1]。弓形折流板結(jié)構(gòu)簡單、加工安裝方便，因此應(yīng)用廣泛。工業(yè)上，70%以上的管殼式換熱器都是弓形折流板換熱器[2]。為了減小換熱器的傳熱死區(qū)和降低壓降，使弓形折流板的優(yōu)點得到充分體現(xiàn)，更有效地提升換熱器綜合換熱性能的 一種方法就是在折流板上開孔[3]。

曾敏[4]等研究了間距為70mm，弓形折流板換熱器在小流量時，弓形折流板換熱器綜合性能最優(yōu)。熊智強[5]利用CFD對弓形折流板換熱器進行了數(shù)值模擬，傳熱效率可提高5.4%。郭土[6]研究發(fā)現(xiàn)，在入口速度相同時，開孔的折流板比未開孔的傳熱效果好。卜英角[7]對曲面、球面和弓形3種折流板的殼程壓降和單位壓降傳熱系數(shù)進行了對比，如圖1所示。然而這種弓形折流板換熱器存在殼程流動死區(qū)大、壓降高、換熱不充分等缺點。本研究建立了簾式折流板換熱器殼程實體模型，利用流體軟件數(shù)值模擬得到該換熱器的溫度、換熱系數(shù)、壓降在不同速度下線性規(guī)律。本研究設(shè)計了一種簾式折流板，其折流片按30°布置，利用FLUENT軟件模擬不同流速下折流片換熱器殼程流動死區(qū)、熱通量q、傳熱熱量Q、總傳熱系數(shù)h的性能變化，提高換熱效率。

圖1 三種弓形折流板壓降和換熱系數(shù)在不同流速下變化曲線

1 簾式折流板方案設(shè)計

如圖2為簾式折流板，包括折流圈1和安裝在折流圈1中的簾式折流片2。簾式折流片2兩邊有插銷2，并通過所述插銷轉(zhuǎn)動連接在折流圈1中；簾式折流片2邊緣開有半圓狀換熱管安裝槽，插銷安裝在對應(yīng)通孔內(nèi)，并焊接固定。多個簾式折流片2平行等距設(shè)置，簾式折流片2與折流圈1的軸線垂直設(shè)置，此時多個簾式折流片2組成弓式折流柵。折流圈1上開有條形凹槽，插銷安裝在所述條形凹槽中，條形凹槽開口朝向斜向上方，多個簾式折流片與所述折流圈軸線呈30°夾角。

圖2 簾式折流板

通過插銷卡入條形凹槽，完成第一層簾式折流片2的安裝，接著將換熱管碼放在安裝好的簾式折流片2上的換熱管安裝槽內(nèi)。依次安裝第二層簾式折流片2和換熱管直至最后一層簾式折流片2安裝完畢為止。由上述方式將若干個簾式折流板和換熱管組裝好后，將本組裝體安裝進換熱器筒體內(nèi)。

2 簾式與弓形折流板換熱器數(shù)值模擬

2.1 幾何模型的建立

用FLUENT軟件進行流體分析時會用到流質(zhì)模型，流質(zhì)模型會將研究對象抽象化并保留其主題。通過了解殼程流體的流動模式后，流質(zhì)模型基本符合實際。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，建立流質(zhì)模型時要采用相同的布管形式和殼體直徑，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 簾式折流板換熱器與弓形折流板換熱器模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 邊界條件的設(shè)置

簾式折流板換熱器的物性數(shù)據(jù)為：管程介質(zhì)為水，入口溫度為294.15K，密度為1000 kg /m3，比熱容為4200 J/（ kg·K） ，殼程介質(zhì)為飽和水蒸氣，溫度保持在421.85 K，進口流速為0.1～0.5m /s。因換熱器內(nèi)部的水體流動較為復(fù)雜，故忽略折流板與換熱管之間的泄漏和傳熱； 內(nèi)部流動介質(zhì)服從牛頓內(nèi)摩擦定律，流體物理參數(shù)為常數(shù)；排除流體交叉?zhèn)鲗?dǎo)； 增加換熱器進出管的長度，使傳熱傳質(zhì)更加穩(wěn)定； 忽略內(nèi)部組件對流場的影響。求解算法選擇分離隱式求解器，基于交錯網(wǎng)格處理的壓力速度耦合方程，離散格式的一階迎風(fēng)差分控制方程，并考慮相速度滑移，k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型和近壁面函數(shù)處理流動的方法。

3 簾式與弓形折流板換熱器數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 在不同流速下流場溫度影響分析

進口流速為0.1m /s，折流板數(shù)量為2的簾式與弓形折流板換熱器內(nèi)部流場溫度云圖，如圖3 所示。溫度分布變化極大，內(nèi)部流體大致呈“Z”字形流動。一方面，2 個折流板之間溫度基本保持一致，為一個溫度區(qū)間，在折流板邊緣處為對流換熱的“死區(qū)”，“死區(qū)”面積的大小影響溫度云圖的分布，進而影響殼程內(nèi)部對流換熱效果；（a）圖中經(jīng)過換熱管的流動死區(qū)比（b）的流動死區(qū)更小，簾式折流板間接提高換熱效果。折流片在折流圈內(nèi)設(shè)置30°夾角安裝在換熱器內(nèi)，簾式折流片換熱器較弓形折流板換熱器流動死區(qū)減少18%。另一方面，因為存在折流板，以入口流速不變?yōu)榍疤?，?nèi)部流體受折流板影響，流動面積減小，流體流動速度減緩，促進殼體內(nèi)部換熱。這兩個方面共同影其內(nèi)部的換熱效率。

圖3 簾式與弓形折流板換熱器流場溫度圖

3.2 在不同流速下熱通量影響分析

進口流速為0.1m /s，折流板數(shù)量為2的簾式與弓形折流板換熱器熱通量云圖如圖4所示。從（a）（b）圖中得知，簾式折流板換熱器的最大熱通量為0.11W/m2，弓形折流板換熱器的最大熱通量為0.097W/m2，簾式折流板的最大熱通量較弓形折流板提高12%。

圖4 簾式與弓形折流板換熱器熱通量流線圖

由式（1）計算得到管程、殼程的總換熱面積A，由式（2）得到傳熱熱量Q，由式（3）得到固定流速下的總傳熱系數(shù)h。

式中，n為換熱管數(shù)量；D為換熱管的外徑（mm）；L為換熱管的長度（mm）。

如圖5所示，簾式與弓形折流板換熱器在0.1～0.5m/s內(nèi)熱通量隨著流速增加大致呈線性規(guī)律遞增，且簾式折流板的熱通量q較弓形折流板提高2%～17.4%，根據(jù)式（1）（2）（3）得出簾式折流板的傳熱熱量Q與總傳熱系數(shù)h較弓形折流板提高2%～17.4%。

圖5 簾式與弓形折流板換熱器熱通量與流速線性關(guān)系

4 結(jié)論

（1）由于弓形折流板換熱器存在殼程流動死區(qū)大、壓降高，換熱不充分等缺點，本研究設(shè)計出一種簾式折流板結(jié)構(gòu)，通過FLUENT模擬得出折流片在折流圈內(nèi)設(shè)置30°夾角安裝在換熱器內(nèi)，簾式折流片換熱器較弓形折流板換熱器流動死區(qū)減少18%。

（2）由于簾式折流板的使用，在入口流速呈線性遞增的前提下，殼程內(nèi)部流體受簾式折流板的作用，流體湍動程度增加，簾式折流板的熱通量q、傳熱熱量Q、總傳熱系數(shù)h較弓形折流板提高2%～17.4%，對殼體內(nèi)部對流換熱起促進作用。