三角区漏流对螺旋折流板换热器综合性能的影响

刘敏珊，许伟峰，靳遵龙，王永庆，王 丹

(郑州大学 河南省过程传热与节能重点实验室，河南 郑州450001)

0 引言

针对传统管壳式换热器的缺点［1-3］，如壳程流体流动存在流动死区、流阻大、传热系数较低、易结垢和振动等，科研人员提出螺旋折流板换热器的概念，并由ABB 公司于1994 年实现了产业化［4］．与弓形折流板换热器相比，螺旋折流板换热器壳程流体呈螺旋状流动，不但能够很好地解决弓形折流板换热器存在的问题;同时，螺旋流动增加了壳程流体流动的扰动，从而达到强化传热的效果［5］．目前，工程中由于受螺旋面加工工艺的限制，大都采用若干块椭圆形或扇形平板搭接成近似的螺旋曲面． Lutcha 等［6］设计了1/4 螺旋折流板换热器，但此方案较适合于正方形布管．陈亚平等［7］提出了一种适合于正三角形排列布管的三分螺旋折流板方案． 由于折流板是由椭圆形或扇形平板连续搭接形成的近似螺旋面，相邻搭接折流板间存在三角间隙(简称三角区)，壳程流体流动在三角区产生漏流［8］． 笔者针对三角漏流区采用大型CFD 分析软件FLUENT，考察三角区漏流对螺旋折流板换热器综合性能的影响，为换热器的性能优化设计提供参考．

1 几何模型

1/3 螺旋折流板分为椭圆和扇形两种，均由椭圆切割得到．笔者采用1/3 椭圆螺旋折流板，对螺旋折流板换热器漏流的研究主要存在于相邻搭接折流板间的三角区． 为了单独考察三角区漏流的影响，取折流板与管束和筒体间的间隙为0 mm，即假设折流板与管束和筒体之间不存在间隙．在计算中，假定进口段、出口段充分发展，忽略进口及出口对整体特征参数的影响．

建立两种1/3 椭圆螺旋折流板模型(见图1)，模型a 为螺旋折流板间存在三角漏流区;模型b 为堵住螺旋折流板间的三角区(保持其他结构参数不变，采用1 mm 厚度板将三角区堵住)，不产生三角区漏流．对应a、b 两种折流板模型，建立螺旋角为15°、20°两组换热器模型:a1、b1;a2、b2．

图1 螺旋折流板结构示意图Fig．1 Schematic diagram of helical baffles

其中，a1、a2 分别为螺旋角15°、20°时螺旋折流板间存在三角漏流区的换热模型，b1、b2 分别为螺旋角15°、20°时堵住折流板间三角区的换热器模型．换热器的整体及内部结构尺寸如表1 所示．

表1 换热器的结构尺寸Tab．1 Structural parameters of heat exchanger

2 网格划分及边界条件

2．1 网格划分

螺旋折流板换热器内部结构复杂，网格划分采用正四面体与金字塔形的非结构化网格． 采用换热器整体传热系数作为评价模型网格划分的指标并进行网格无关性验证，通过网格独立性分析及计算时间综合考虑，最终确定模型a1、b1、a2、b2的网格单元数分别为388 万、539 万、339 万、461 万．

2．2 边界条件设置

壳程进口采用速度进口，进口流体温度为20 ℃;出口采用压力出口，出口压力和温度保持默认;管壁温度设置为80 ℃恒壁温;湍流模型采用k-ε 模型方程;压力和速度耦合采用SIMPLE 算法;动量和能量离散采用二阶迎风格式．

3 流场分布

笔者考察了存在三角漏流区与堵住三角区时壳程流体流动三角区附近流线分布(图2)及壳程流体流动整体流线分布(图3)．可以看出:①螺旋折流板换热器存在三角漏流区时，部分流线直接通过三角区，壳程流体流动在三角区产生漏流;壳程中心部位部分流线几乎与壳程中心轴线平行，流体流动短路现象严重;②堵住三角区后，三角区不再产生漏流，减少了壳程流体流动的短路现象，流线沿螺旋折流板螺旋流动增强．

图2 壳程流体流动三角区附近流线分布Fig．2 Streamline distribution of shell-sided fluid flow near the triangle

图3 壳程流体流动整体流线分布Fig．3 Overall streamlines distribution of shell-sided fluid flow

4 模拟结果分析

4．1 漏流对换热器传热性能影响

图4 为不同模型换热器壳程传热系数随壳程雷诺数的变化曲线．从图4 可以看出，漏流使换热器传热性能下降;堵住折流板三角区，能有效改善换热器的传热性能．

图4 传热系数随壳程雷诺数的变化曲线Fig．4 Heat transfer coefficient varies with different Reynolds number in shell side

具体原因分析如下:①三角区堵住之后，三角区不再产生漏流;由壳程流体流动整体流线分布(图3)可以看出，壳程流体流动短路现象有所改观，增加了壳程流体与换热管管束的接触时间;②垂直管束方向分别取a1、b1 模型Z=0．25 m 的截面，两种换热器截面速度矢量如图5 所示．由图5可以看出，三角区堵住后，壳程流体流动近螺旋运动增强，增加了壳侧流体流动的扰动程度;螺旋流动斜向冲刷换热管管壁，使换热管管束外壁面边界层减薄，减小了管程与壳程之间的传热热阻．综合以上因素:堵住三角区，换热器的传热系数增大，可使换热器传热性能增加8．5% ～11%．

4．2 漏流对换热器压降影响

图6 为不同模型换热器进出口压降随壳程雷诺数的变化曲线． 从图6 可以看出，三角区堵住后，换热器整体压降有所升高，但升高幅度不大．

图5 截面速度矢量图Fig．5 Velocity vector of section

图6 壳程压力损失随壳程雷诺数的变化Fig．6 Curve of pressure drop varies with different Reynolds number in shell side

具体原因分析如下:①三角区堵住后，壳程流体流动不再产生三角区漏流，但壳程流体流动有与三角区构成的三角平面垂直方向的流动分量(图7)，流体垂直冲击用于堵住三角区的封板，产生动能损失，流动阻力增大;②王良［9］关于1/4 椭圆螺旋折流板螺旋角为10°和15°时换热器加与不加阻流板的性能实验得出:增加阻流板后，流体对阻流板产生冲击，壳程压力损失显著增大．笔者模拟计算结果得出，堵住1/3 椭圆螺旋折流板换热器三角区后，壳程流动流阻变化较小，所以堵住1/3 椭圆螺旋折流板三角区，对于改善螺旋折流板换热器壳程流体流动三角区漏流现象，提高换热器性能，具有现实意义．

图7 三角漏流区速度矢量图Fig．7 Velocity vector of triangle leakage area

但值得提出的是，垂直管束方向分别取a1、b1 模型Z=0．25 m 的截面，两种换热器截面压力分布如图8 所示．由截面压力分布可以看出，堵住三角区后，截面整体压力分布变化较大，需进一步对其进行研究．

图8 截面压力分布图Fig．8 Pressure distribution of section

4．3 漏流对换热器综合性能的影响

图9 换热器综合性能随壳程雷诺数的变化Fig．9 Curve of comprehensive performance varies with different Reynolds number in shell side

具体原因分析如下:①堵住三角区后，三角区不再产生漏流，减小了壳程流体流动短路现象，提高了壳程流体流动的扰动程度，强化了传热;②堵住三角区后，换热器整体压降有所升高，但与壳程传热系数的升高幅度相比，压降升高幅度较小．综合以上因素表明:堵住三角区的换热器综合性能增强．

5 结论

通过对1/3 椭圆螺旋折流板换热器存在三角漏流区与堵住三角区两种情况进行数值模拟并分析可知:

(1)三角区漏流使换热器传热系数降低，堵住三角区可使换热器传热性能提高8． 5% ～11%，能有效改善换热器的换热性能，强化传热．

(2)三角区漏流使换热器整体压降降低，堵住三角区后，压降升高，但升高幅度不大，说明三角漏流区的存在对换热器整体压降影响较小．

(3)通过与文献中1/4 椭圆螺旋折流板螺旋角为10°和15°换热器加与不加阻流板的性能实验的结论进行对比可知:堵住三角区后，1/3 椭圆螺旋折流板换热器堵板对换热器整体压降影响较小，因而在工程实际应用中，堵住1/3 椭圆螺旋折流板三角漏流区，具有现实意义．

(4)三角区漏流使换热器综合性能降低，堵住三角区后，换热器综合性能提高8． 1% ～11．1%．

三角区漏流使换热器的传热系数、整体压降、综合性能降低．实际应用中可以根据具体应用情况，综合考虑所需传热效果与压降因素，并考虑增加堵板后壳测流动对换热管管束振动的影响，对三角区进一步优化，改善漏流区的作用，提高换热器综合性能．

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