螺旋折流板換熱器傳熱和流動(dòng)性能分析

寧?kù)o

中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司 北京 100101

在化工裝置中管殼式換熱器型式眾多，當(dāng)殼側(cè)流體流量大且壓降限制嚴(yán)格時(shí)，通常會(huì)采用雙弓形折流板形式。但是雙弓形折流板在支撐結(jié)構(gòu)和流動(dòng)方式上存在諸多缺陷：殼側(cè)流動(dòng)存在沖刷不充分的流動(dòng)死區(qū)、死區(qū)內(nèi)局部換熱系數(shù)低，殼側(cè)整體換熱不均勻，同時(shí)死區(qū)容易結(jié)垢，威脅換熱設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。為了提高殼側(cè)單位壓降下傳熱和避免殼側(cè)由于沉積污垢造成的腐蝕泄漏，工業(yè)應(yīng)用中越來越多的采用螺旋折流板代替殼側(cè)弓形折流板，使殼側(cè)在螺旋折流板引導(dǎo)下形成復(fù)雜的螺旋流形態(tài)，提高管束間的流速、實(shí)現(xiàn)殼體橫向截面流體充分混合同時(shí)殼側(cè)壓降不增加，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的[2]。

工程應(yīng)用中最多采用的為四片式螺旋折流板結(jié)構(gòu)，見圖1，螺旋折流板一個(gè)螺旋節(jié)距的長(zhǎng)度上是由四片式扇形板片按一定的安裝傾角上、下、左、右交錯(cuò)排列而成，再用定距管將其定位，使其形成螺旋狀[3]。但是四片式螺旋折流板結(jié)構(gòu)為非連續(xù)螺旋折流，中間相鄰板片間會(huì)出現(xiàn)三角形的漏流區(qū)，嚴(yán)重削弱了傳熱能力[4]。針對(duì)四片式螺旋折流板三角區(qū)短路漏流的缺點(diǎn)，中國(guó)石化工程建設(shè)公司聯(lián)合撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司和遼寧石油大學(xué)提出了一種新型的六片式螺旋折流板換熱器型式，并獲得專利授權(quán)[5]。

圖1 四片式螺旋折流板

圖2 六片式螺旋折流板

1 模型設(shè)置

1.1 幾何模型

三維數(shù)值模擬用SolidWorks分別建立尺寸180x1200mm下六片式螺旋折流板、四片式螺旋折流板和雙弓折流板結(jié)構(gòu)，設(shè)備型式BEM，水平安裝，10mm換熱管，正方形布管，換熱管間距13mm，布108根換熱管，換熱器所有材質(zhì)均采用碳鋼。雙弓折流板結(jié)構(gòu)采用16塊折流板，間距60mm。六片式螺旋折流板和四片式螺旋折流板都采用10度螺旋角，搭接度42%[6]。

由于管束元件較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化如下：

（1）認(rèn)為換熱管與折流板、筒體與折流板和管束與殼體都為緊密切合，忽略流體通過縫隙滲透的現(xiàn)象。殼體及折流板均設(shè)置為絕熱的無滑移不可滲透壁面。

（2）只保留由換熱管、折流板、管板和筒體等與傳熱和流動(dòng)相關(guān)的主要換熱結(jié)構(gòu)，忽略擋管和滑道等次要結(jié)構(gòu)。

根據(jù)所選用換熱器的基本參數(shù)、流動(dòng)特性和研究的目的，本文對(duì)計(jì)算模型簡(jiǎn)化如下：

（1）殼程流體為不可壓縮流體；

（2）計(jì)算過程中忽略自然對(duì)流及熱輻射效應(yīng)；

（3）忽略重力對(duì)殼程流動(dòng)的影響。

1.2 模型工藝參數(shù)

殼側(cè)介質(zhì)和管側(cè)介質(zhì)都為水，物性為常溫下水的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，工藝參數(shù)見表1。

表1 工藝參數(shù)

管殼側(cè)流體入口采用流量入口；出口采用壓力出口。由 Fluent 報(bào)告獲得出口溫度、壓力降、傳熱量等參數(shù)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及其分析

本文截取殼側(cè)CFD云圖直觀獲取殼側(cè)流體在不同折流板形式下傳熱性能和流動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行比較。

2.1 質(zhì)點(diǎn)跡線對(duì)比

圖3和圖4為三種折流板結(jié)構(gòu)下殼程流體質(zhì)點(diǎn)沿軸向方向流線圖和速度矢量圖。從圖3和圖4看出，六片式螺旋折流板螺旋流動(dòng)優(yōu)于四片式螺旋折流板，雙弓折流板在折流板背面存在明顯的死區(qū)。

圖3 不同結(jié)構(gòu)換熱器殼程流線圖

圖4 不同結(jié)構(gòu)換熱器殼程速度矢量圖

圖5為換熱器殼程在第六塊折流板處橫截面速度分布云圖。螺旋折流板整體看，呈現(xiàn)出一定的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，整體看橫截面速度比較均勻，不存在流動(dòng)死區(qū)。圖5可以看出優(yōu)化的六片式螺旋折流由于螺旋狀推進(jìn)的渦旋狀減少流體返混和降低速度梯度。螺旋折流板漏流對(duì)流體流速的影響會(huì)沿著軸線方向不斷減小，流體流速趨于穩(wěn)定[7]。在相同殼側(cè)質(zhì)量流量和殼直徑下，雙弓形折流板整體速度最低，在靠近殼側(cè)內(nèi)壁區(qū)域存在比較明顯的低速區(qū)，而在弓型折流板窗口區(qū)域存在明顯速度增加，橫截面速度變化明顯，傳熱效果相對(duì)差。從圖5可以看出六片式螺旋折流板邊緣速度最大，因此有利于沖走沉積在殼側(cè)底部的污垢，換熱器自清潔效果最佳。

圖5 不同結(jié)構(gòu)換熱器殼程橫截面速度分布云圖

2.2 溫度分布對(duì)比

圖6為縱截面溫度場(chǎng)分布圖。殼側(cè)流體為被加熱過程，由圖6可以看出六片式螺旋折流板殼側(cè)出口溫度高于四片式螺旋折流板結(jié)構(gòu)，溫度均勻分布性優(yōu)于四片式螺旋折流板結(jié)構(gòu)；雙弓形折流板出口溫度最低，且殼側(cè)流體分布均勻最差。

圖6 不同結(jié)構(gòu)換熱器殼程縱截面溫度分布圖

2.3 傳熱系數(shù)分布對(duì)比

六片式螺旋折流板殼側(cè)殼側(cè)傳熱系變化均勻，殼側(cè)流體在折流板的作用下，整體呈現(xiàn)出近似螺旋柱塞流動(dòng)。六片式螺旋折流板交錯(cuò)搭接，減少了三角區(qū)漏流面積，相比于四片式螺旋折流板更接近連續(xù)螺旋流，所以綜合傳熱性能好于四片式螺旋折流板。雙弓型折流板殼側(cè)傳熱系數(shù)變化梯度大，主要原因弓形折流板的傳熱系數(shù)中流體呈“Z”形流動(dòng)，流動(dòng)方向發(fā)生急劇改變?cè)龃罅肆黧w的湍流混合，造成雙弓折流板流動(dòng)背面存在死區(qū)和殼側(cè)流動(dòng)不均勻。

3 冷膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

冷模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由殼體、管束模型、貯水罐、水泵、進(jìn)出口管線、比例閥、流量傳感器、壓力傳感器、電磁閥及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。冷膜實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備尺寸和流體工藝條件同CFD模擬，通過驗(yàn)平臺(tái)，取五組流量測(cè)量六片式螺旋折流板換熱器、四片式螺旋折流板換熱器和雙弓型換熱器的壓降。

為了標(biāo)定測(cè)量是否正確，通過傳熱軟件對(duì)雙弓折流板進(jìn)行壓降計(jì)算。可以看出雙弓折流板CFD殼側(cè)壓降模擬值與傳熱軟件計(jì)算值誤差約為10%，雙弓折流板殼側(cè)壓降實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與與傳熱軟件計(jì)算值誤差約為15%，CFD殼側(cè)壓降模擬值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與軟件計(jì)算偏差在合理范圍內(nèi)，證明本次驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性。從圖8可以看出三種折流板形式下殼側(cè)測(cè)試壓降均勻高于模擬壓降，主要是CFD模擬中忽略殼側(cè)漏流影響，殼側(cè)主要漏流為換熱管與折流板的漏流，折流板與殼內(nèi)徑漏流和換熱管束與殼內(nèi)徑之間的漏流。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示六片式螺旋折流板壓降比四片式螺旋折流板壓降高5%。本實(shí)驗(yàn)殼側(cè)流體速度為0.05～0.16m/s，殼側(cè)流體雷諾數(shù)范圍1000～3000之間，殼側(cè)流動(dòng)基本為層流，在此范圍內(nèi)螺旋折流板強(qiáng)化殼側(cè)流動(dòng)分布均勻，同時(shí)壓降增加并不顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)六片式螺旋折流板換熱器、四片式螺旋折流板換熱器和雙弓型換熱器殼側(cè)流動(dòng)分布、壓降和傳熱性能進(jìn)行比較研究，并結(jié)合冷膜實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）換熱器尺寸和殼側(cè)質(zhì)量流量相同條件下，殼程壓降最大的是雙弓型換熱器，其次六片式螺旋折流板換熱器，最低為四片式螺旋折流板換熱器。

（2）換熱器尺寸和殼側(cè)質(zhì)量流量相同條件下，六片式螺旋折流板傳熱系數(shù)最高，其次為四片式螺旋折流板，最低為雙弓型換熱器。

（3）單位壓降下的綜合傳熱性能從高到低依次為：六片式螺旋折流板換熱器，四片式螺旋折流板，雙弓型換熱器。

（4）本文采用冷膜實(shí)驗(yàn)研究在層流狀態(tài)下的殼側(cè)流動(dòng)規(guī)律，冷膜實(shí)驗(yàn)與CFD得出相同結(jié)論，即螺旋折流板形成平穩(wěn)螺旋流，實(shí)現(xiàn)壓降不增加，但是可以提高流速的可能性。

（5）螺旋折流板的傾斜結(jié)構(gòu)，可以防止殼側(cè)污垢的沉積，熱阻穩(wěn)定性增加，單位壓降下的傳熱效率不降低，使換熱器長(zhǎng)期運(yùn)行在高效狀態(tài)，達(dá)到了節(jié)能的目的。

管殼式換熱器在許多場(chǎng)合采用螺旋流的螺旋折流板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的弓形折流板，總體理論分析可以減少設(shè)備尺寸，降低殼側(cè)容易結(jié)垢流體的沉積，避免由于殼側(cè)存在死區(qū)造成的換熱器泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備的操作周期。通過本文的研究證實(shí)螺旋折流板換熱具有很好的傳熱效果，特別是本文研究的六片式螺旋折流板換熱器，尤其適用于壓力降或污垢熱阻限制比較嚴(yán)格的場(chǎng)合，以及流體誘導(dǎo)振動(dòng)比較嚴(yán)重的場(chǎng)合[8]。