高压热交换器防冲挡板结构优化①

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(1.青岛畅隆电力设备有限公司，山东 青岛 266700；2.青岛科技大学，山东 青岛 266061；3.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070；4.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518)

随着科学技术的进步，设计压力处于10～100 MPa的高压热交换器得到了广泛的应用[1-3]。高压热交换器壳程工作介质一般为水蒸气，其具有高温、高压、高流速的特点。在不添加任何辅助装置条件下，水蒸气不仅会对换热管和管板造成严重的冲刷腐蚀，还会导致高压热交换器产生剧烈的振动[4-7]。而防冲挡板降低了流体对换热管的冲击力，避免水蒸气对换热管的直接冲蚀[8-9]。在实际工程应用中，水蒸气的强大冲击力会使防冲挡板出现脱落，砸漏换热管，使高压热交换器无法正常运行，严重时还会导致高压热交换器报废[10-13]。

钟晓峰等[14]设计了一种钛制热交换器防冲挡板结构，可有效阻止液体对换热管束的冲击，但是该结构的工作时间不长，需要频繁更换。吴洋宽等[15]设计了一种弧型防冲挡板，通过将圆形平板向上弯曲，不改变介质流通面积，提高防冲挡板抗冲击力的刚度，使防冲挡板所受冲击力在随着压力波动不断发生变化时，防冲挡板的抖动幅度降低。但是该技术方案缺乏精确的数值计算论证。

目前的防冲挡板经过改进虽然解决了部分问题，但是相应的技术方案仍然存在着工作时间短和缺乏精确的数值论证计算等问题。为解决高压热交换器内的防冲挡板防冲能力弱、易脱落等问题，笔者研究了一种高压热交换器双层防冲挡板结构，利用FLUENT软件详细计算防冲挡板附近的流场，并与圆孔型防冲挡板、圆弧型防冲挡板数值求解结果进行对比，分析改进后高压热交换器双层防冲挡板的效果。

1 高压热交换器防冲挡板结构模型建立

1.1 物理模型

建立的高压热交换器双层防冲挡板结构物理模型见图1。文中主要以双层防冲挡板结构为例进行说明，对圆孔型防冲挡板结构和圆弧型防冲挡板结构采用相同的数值计算方法。

1.壳体 2.接管 3.十字固定架 4.筋板 5.上层防冲挡板 6.下层防冲挡板 7.换热管图1 高压热交换器双层防冲挡板结构

利用三维设计软件Solid Works建立了3种类型防冲挡板结构的三维模型，见图2。

图2 3种类型防冲挡板结构三维模型

圆孔型防冲挡板主要由双层防冲挡板的十字固定架与上层防冲挡板组成，圆弧型防冲挡板主要由十字固定架、筋板以及向上弯曲的圆平板组成。圆孔型防冲挡板结构和圆弧型防冲挡板结构的其余参数与双层防冲挡板结构的一致。

1.2 网格划分与独立性验证

防冲挡板物理模型结构较为复杂，利用网格划分软件ICEM CFD16.0，采用非结构化网格划分方法对物理模型进行网格划分[16]。为了获得较高的计算精度，对防冲挡板部分网格进行加密处理。得到的高压热交换器双层防冲挡板结构网格分布图见图3。

图3 高压热交换器双层防冲挡板结构网格分布图

由于模型较多，不便对所有的模型进行网格独立性验证，因此选择了高压热交换器双层防冲挡板结构模型进行本文的网格独立性检验。采取网格数量分别为634 504、834 056、1 048 923、1 215 893的模型进行计算，结果表明，当网格数量从1 048 923增加到1 215 893时，计算结果几乎不变。基于网格独立性分析和计算时间的评判条件，选取1 215 893网格数量作为模型的网格划分标准。

1.3 数值求解设置

利用 ANSYS FLUENT 16.0对防冲挡板附近水蒸气的流动过程进行数值计算。数值求解基于压力基求解器，湍流模型采用RNGk-ε模型，压力和速度耦合方式采用SIMPLE格式，控制方程的离散采用二阶迎风格式。为保证求解精度，收敛标准残差设置为10-5。防冲挡板模型的入口边界条件为速度入口，并设置入口速度、静压、温度、湍流强度和水力半径，出口边界条件为outflow出口，模型壁面的边界为无滑移、恒温壁面。

描述k-ε模型的湍动能k和湍流耗散ε的输运公式[17-18]分别如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中，t为时间，s；ρ为流体密度，kg/m3；ui为流体速度，m/s；μ为动力黏度，μt为湍流黏度，Pa·s；k为湍动能；ε为耗散率；Gk为由层流速度梯度产生的湍流能项；Gb为由浮力产生的湍动能项；YM为湍流脉动膨胀到全局流程中对耗散率的贡献项；C1ε、C2ε、C3ε为常量；σk、σε为k方程和ε方程的湍流普朗特数；Sk、Sε为用户定义湍动能项和湍流耗散源项；xi、xj分别为i、j方向的坐标。

2 高压热交换器防冲挡板结构速度场计算结果分析

2.1 流速分布云图

分别对高压热交换器双层防冲挡板结构、圆孔型防冲挡板结构和圆弧型防冲挡板结构的速度场进行数值计算，分析水蒸气在这3种类型防冲挡板的流速分布情况。在其他条件一致的情况下，介质流速能够反映出壳程介质对防冲挡板以及换热管的冲击情况。一般来说，介质流速越大，冲击作用越大，反之，冲击作用小，防冲效果越好。

计算得到的高压热交换器双层防冲挡板结构、圆孔型防冲挡板结构和圆弧型防冲挡板结构对应的速度场分布云图分别见图4～图6。

图4 双层防冲挡板结构速度场分布云图

图5 圆孔型防冲挡板结构速度场分布云图

图6 圆弧型防冲挡板结构速度场分布云图

对比图4～图6可以发现，采用弧形板结构的双层防冲挡板结构和圆弧型防冲挡板结构改变了流体流动方向，避免了出口处流体直接沿着轴向冲击换热管，有效保护了换热管。圆孔型防冲挡板结构采用的圆孔扇形板虽然降低了换热管附近的流体流速，减轻了流体对换热管的冲击，但在高速、高压情况下，圆孔扇形板所受的冲击力将更大，对换热管的冲击力也将更大，其防冲能力将不如双层防冲挡板和圆弧型防冲挡板。

对比图4和图6可知，通过改变流体流向，均可获得很好的防冲效果，达到保护换热管的目的。但是圆弧型防冲挡板上方中心部位高速流体的冲击压力较大，这将对防冲挡板中间部位产生极大冲击并引发振动，加速防冲挡板脱落。而双层防冲挡板结构采用的上层防冲挡板则减缓了高速流体对防冲挡板中间部位的冲击，可以改善自身受力情况，增强防脱落效果。

2.2 防冲挡板附近流速

从数值计算结果中获取了沿接管中心轴向的流体速度数据，并利用origin处理数据得到速度曲线，以分析3种类型防冲挡板中心部位流速分布情况，比较防冲挡板防脱落效果。

3种类型防冲挡板结构对应的速度曲线分别见图7～图9。

图7 双层防冲挡板结构速度曲线

图8 圆孔型防冲挡板结构速度曲线

图9 圆弧型防冲挡板结构速度曲线

对比分析图7～图9的速度曲线，沿着接管中心轴向方向上，当水蒸气以7 m/s的速度经过3种不同类型防冲挡板结构时，速度均得到了降低，但是在防冲挡板中心附近速度降低的程度有所不同。取距离防冲挡板上表面10 mm范围的速度平均值作为防冲挡板附近水蒸气流速，计算得到圆弧型防冲挡板、圆孔型防冲挡板、双层防冲挡板的速度均值分别为2.651 6 m/s、2.283 0 m/s、1.393 3 m/s。由此可以得出，在防脱落效果上，双层防冲挡板优于圆孔型防冲挡板，圆孔型防冲挡板优于圆弧型防冲挡板。

在保护换热管方面，双层防冲挡板和圆弧型防冲挡板可以通过自身的弧形板改变流体流动方向，避免流体对换热管的直接冲击，相比圆孔型防冲挡板能够更好地保护换热管。而在防脱落效果上，通过比较防冲挡板附近流速，认为双层防冲挡板防脱落效果要优于圆弧型防冲挡板。

3 结语

本文提出了一种高压热交换器双层防冲挡板新结构，并且模拟了3种不同类型防冲挡板附近的流场，通过分析流速云图和模拟的速度数据得到以下结论。

(1)3种不同结构的防冲挡板均能起到对换热管的防冲作用，但是防冲机理不同。双层防冲挡板和圆弧型防冲挡板是通过改变介质流动方向和降低介质流动速度来达到防冲效果，而圆孔型防冲挡板主要是通过降低介质的流动速度来减小冲击。双层防冲挡板和圆弧型防冲挡板的防冲能力要优于圆孔型防冲挡板。

(2)在其他条件一致的情况下，双层防冲挡板的防脱落能力最强，圆孔型防冲挡板次之，圆弧型防冲挡板最弱。高压热交换器双层防冲挡板不仅防冲能力强，能够有效保护换热管，而且有效工作时间更长，无需频繁更换。