具有新型支撑结构换热器的工作特性与分析

谢　果，高秀志，牛宁海

0　概述

换热器是电站辅机设备中重要的组成部分，其换热性能对发电机组的运行效率有着十分重要的影响。在电站辅机设备中，按照功能区分，换热器大致可分为高压、低压给水加热器、给水除氧器、凝汽器、闭式水水换热器、汽封加热器、滑油冷却器等［1-2］。在有关换热器的换热性能、运行稳定性及制造工艺方面的研究中，有许多文献提供了可用于工程设计的宝贵数据［3-7］。其中，纵流壳程换热器是采用新型支撑结构的换热器，其管束的新型支撑替代了传统的折流板结构，可增强壳程介质在流动过程中的小范围扰动，因此，提高了换热器壳程的换热系数，并减小了壳程压降。

1　壳程纵流换热器

在国外，对于壳程纵流换热器的研究较早。在20世纪70年代，美国某石油公司就推出了折流杆式壳程纵流换热器，具有优良的传热性能和水力性能。此后，世界各国对该类型换热器展开了进一步研究。我国于20世纪80年代初，也开始了该方面的研究，包括绕流管的布置对流场及换热性能的影响、壳程近壁区域流动换热特性、条带支撑结构换热器的工作性能等［8-11］。

现以调研多种纵流壳程换热器结构的基础上，提出了一种具有新型支撑结构的纵流壳程换热器的设计方案。该换热器结构与常规的折流杆换热器相比，其制造加工工艺较为简单，成本更加低廉，在应用上具有一定的潜力。为此，采用FLUENT软件，对具有不同导流头支撑结构的换热单元进行了数值模拟。根据导流头前后锥角的变化，研究了不同锥角对换热单元传热系数和流动阻力的影响，为纵流壳程换热器的工程运用，提供参考。

2　工作原理

具有导流头支撑结构的纵流壳程换热器的结构，如图1所示。

图1　具有新型导流头支撑结构的换热器

壳侧介质经外导流筒进入换热管系区域后，沿轴向方向流动。由于在换热管间均布置有导流头，介质流经导流头阻塞区域时，会伴随有周期性的加速和减速，形成射流扰动，从而大幅提高管系壳侧的表面传热系数。此外，该导流头与换热管紧密贴合，因此，在换热管的中间区域形成了有效支撑。该型换热器核心零部件的制造难度较低，安装方便。在设计上，不用过多考虑管系与壳体的装配间隙，从而降低了制造及加工成本。

3　CFD优化设计

纵流换热器的导流头，是该换热器的核心零件。导流头的主要作用有两点，其一，是对管系进行支撑。其二，对壳程流体具有阻流作用，使壳程流体产生局部扰动，提高了壳程介质整体的换热系数。壳程流体经导流头作用后，其尾部产生的脱涡现象，对壳程介质的换热具有重要影响。对换热的影响程度，由导流头前、后锥面角度的大小及流道尺寸等因素决定。利用CFD流体计算软件进行模拟计算，取换热管的外径为16 mm，换热管的桥距为20 mm，导流头的阻流外径为 11.2 mm，芯杆直径为 6 mm，仅考虑导流头锥面角度对尾部脱涡流体的影响。根据不同角度的导流头，计算纵流换热器的换热效率及流动阻力。

3.1　计算区域的物理模型

在模拟计算中，以3×3阻流元件为计算单元进行计算，以便观察完整的阻流单元尾部脱涡形态。流动换热仿真计算的模型，如图2所示。模型中，包含9个导流头，对应了9组冷却管外壁换热面。计算模型长度为150 mm，导流头外部支撑面的宽度为16 mm，导流头距进口端面为50 mm。总换热面积为0.068 m2。

图2　流动换热仿真计算模型

3.2　模拟计算及结果分析

建模后进行了网格划分，将壳程与管程的介质定义为水，换热壁面为不锈钢。壳程介质的进口温度为35℃，流速为0.5 m/s，不锈钢换热表面的温度为65℃。在计算过程中，忽略污垢系数对换热效率的影响。

3.2.1计算结果(锥面角均为45度)

计算所得的截面压力云图，如图3所示。由计算结果可知，单个导流头及150 mm流程内的介质压降，为620 Pa，压降主要集中在导流头前部入口段。

图3　X=0截面上的压力云图

计算所得的截面速度云图，如图4所示。根据计算结果，壳程介质经缩口流道后，流体被加速，最大流速为 1.13 m/s。提速比为2.26(最大流速/入口流速)。此外，据图4可知，由于导流头的存在，使流体在流经缩放口的过程中，形成了很好的引射流作用，强化了流体的扰动过程。

图4　Y=0、Z=50 mm截面上的速度云图

计算区域内流场的速度矢量分布图，如图5所示。由图5可知，在导流头引射流作用下，壳程流体在很大区域内都存在强烈扰动，因此，该扰流设计是可行的。统计了最终计算结果后，得到换热壁面的总体换热功率为8 354 W，换热壁面的表面传热系数为 h=Q/(△T×A)=8 354/(57.5×0.068)=4 273.1 W/(℃·m2)。

图5　计算区域的速度矢量图

3.2.2不同锥角对换热性能的影响

分别按不同的导流头角度，计算区域内的平均表面传热系数。计算所得的表面传热系数，如表1所示。表面传热系数随前后锥角变化的曲面图，如图6所示。由计算可知，当导流头的角度不同时，区域内表面传热系数为4 200～4 400 W/(℃·m2)，变化的浮动范围，约为±2%。同样，据计算结果可知，随前后锥角角度的增大，换热系数也在增加。因为前后锥角的增大，将加剧流动区域内的紊流强度，削弱流体换热边界层的厚度，从而提高了换热系数。然而，换热系数随锥角的变化，并不是简单的线性关系。在一定范围内，增大前后锥角的同时，虽然会增强局部区域的换热，但也会使出口射流的影响区域变小。由图6可知，在曲面中间位置，存在一条曲线(拐点连线)。在曲线之后，换热系数随前后锥角的增大而提高的趋势开始变缓。

表1　不同导流头锥角对应的表面传热系数单位:W/(℃·m2)

图6　表面传热系数随前后锥角变化的曲面图

3.2.3不同锥角对流动性的影响

评估换热器性能的优劣，除了传热性能之外，还包括了介质在换热器中的流动性，即压降。在模拟计算中，换热器绕流支撑元件的间距，取150 mm。在工程中，只需要根据计算结果乘以换热器的布置单元个数，即可得换热器的整体压降。据表2可得，单元的压降均为500～700 Pa，变化浮动的范围，约为±20%。相比于锥角对表面传热系数的影响，锥角对压降的影响更明显。区域内压降随前后锥角变化的曲面图，如图7所示。由图7可知，区域内的压降，随前后锥角的变化整体呈现上升趋势，前锥角与压降有着相应的变化规律。前锥角增大，使导流头的阻流系数增加，从而导致了压降增大。后锥角对压降的影响，不如前锥角的影响那么明显。在前锥角相等的条件下，压降通常随后锥角增加而先增大再减小。后锥角对压降的影响，可结合数据及图4可知，当后锥角较小时，脱涡流体的流动较为平缓，扰动强度小，扰动区域大;当后锥角较大时，脱涡现象较为剧烈，扰动强度大，但扰动区域小。因此，压降与后锥角之间的关系，也不是简单的线性关系。

表2　不同导流头锥角对应的压降　单位:Pa

图7　区域压降随前后锥角变化的曲面图

4　结语

采用新型支撑结构的纵流壳程换热器，具有良好的换热性能。依据数值模型，对计算单元内的换热量进行了模拟计算，研究了该换热器壳侧介质的流动特性及温度分布状态。经分析后认为，纵流壳程换热器具有几个方面的特性。

(1)新型纵流壳程换热器，是通过导流头使流经介质形成周期性引射流，从而强化了换热。

(2)换热器的表面传热系数及压降，均随前后导流头锥角的增加而变大。

(3)表面传热系数及压降，随锥角的大小而变化，但在计算结果的曲面中间区域，出现了数值变化减缓的趋势。因此，经综合考虑，取前锥角为45°，后锥角为60°，是比较理想导流头的设计值。既可确保区域内的换热效率，还不会有较大的压降。

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