结构参数对蜂窝夹套传热性能的影响

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(南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816)

化工生产过程中对反应容器内物料进行冷却或加热是常用操作之一，蜂窝夹套作为一种新型高效传热夹套，以其优异的传热性能和力学构造在压力容器中得到广泛应用[1]。

近年来计算流体力学(CFD)技术的发展日趋成熟，为蜂窝夹套研究和模拟计算打下了良好的基础[2-3]。范琦等[4-6]基于蜂窝形式、间距等结构参数的变化，采用数值方法对蜂窝夹套的换热性能和压降进行分析，研究结果表明蜂窝间距对传热性能影响很大，蜂窝排列方式要选择插排形式。林兴华[7-8]将螺旋蜂窝夹套应用在大型啤酒发酵罐中，传热系数明显提高，发酵周期得到缩短。刘友宏等[9]建立了整体夹套结构的有限元分析模型，利用SIMPLE算法和有限单元法进行了传热分析设计，分析温度场的变化。Belytschko T B等[10]针对夹套反应釜，研究介质特性及不同流速对传热系数的影响规律，为工程提供设计参考。Schmidt F等[11]使用有限元方法对反应容器进行数值模拟，计算其传热系数。Fan和Yin[12]的研究结果表明，蜂窝高度是影响折流板式蜂窝夹套压降及传热的主要因素。Filip Logist等[13]分析夹套管式反应器温度变化，得到了最优温度分布情况。

文中采用FLUENT 17.0软件对三角形及正方形排列的短管蜂窝夹套和整体夹套内流场进行模拟分析，比较整体夹套与蜂窝夹套传热性能，并探究短管间距s和短管长径比l/d对三角形排列形式的短管蜂窝夹套传热性能的影响。

1 计算模型与方法

1.1 模型简化处理

短管蜂窝夹套设备结构见图1。图1中内筒体尺寸为DN750 mm×40 mm，材料为S31603；夹套尺寸为DN950 mm×8 mm，材料为Q345R；短管尺寸为Ø30 mm×2 mm，材料为20钢。夹套介质为冷却水，内筒体介质为水蒸气。

图1中蜂窝夹套上短管按照三角形排列时，采用Solidworks软件建立夹套简化结构的1/2模型，见图2。

1.2 设置边界条件

进口边界设置为冷却水流速进口，速度大小依次设置为0.5 m/s、0.9 m/s、1.3 m/s、1.7 m/s、2.1 m/s，温度为21.5 ℃。出口设置为自由出口。夹套内壁设置蒸汽对流加热面，对流传热系数αi=10 500 W/(m2·℃)，温度为160 ℃。夹套外壁面温度为25 ℃。

图1 短管蜂窝夹套设备结构简图

图2 短管蜂窝夹套结构1/2简化模型

1.3 模型网格划分

利用ICEM CFD 17.0，采用六面体核心法划分网格，并对短管和夹套区域网格加密，以增加计算精度[14]。定义1.5、2.0、2.5、3.0共4种网格尺寸进行计算分析并提取出口温度，得到不同网格尺寸下水出口模拟温度变化趋势，见图3。

综合考虑计算结果准确性和计算效率等因素后，选取网格尺寸大小为2.0时比较合适。短管蜂窝夹套结构网格模型见图4。

1.4 模拟有效性验证

为了验证计算方法及模型的可靠性，针对三角形排列形式的短管蜂窝夹套结构进行模拟计算，得到的蜂窝夹套模拟数据见表1。

图3 不同网格尺寸下水出口模拟温度变化趋势

图4 短管蜂窝夹套结构网格模型

组序流体体积流量/(m3·h-1)冷却水进口温度/℃水出口模拟温度/℃水蒸气进口温度/℃蒸汽饱和温度/℃第1组5.321.537.48160155.2第2组4.321.540.54160155.2第3组3.321.545.14160155.2第4组2.321.553.78160155.2第5组1.321.572.36160155.2

根据流体特性和工作条件参数，选用可实现k-ε模型模拟夹套内流场变化，压力速度耦合方法选用SIMPLE算法，并将流体控制方程离散格式都设置为二阶迎风差分格式[15]，残差精度设定为10-6。将模拟数据和试验数据[16]绘制成雷诺数Re-努塞尔数Nu对数曲线(图5)，用试验值对比分析模拟值的有效性。

图5 雷诺数和努塞尔数的对数曲线变化关系

图5表明，模拟值和试验值的变化趋势基本一致且模拟值比试验值小。分析认为，这是数值模拟中模型为理想设计尺寸，而蜂窝夹套试验中设置的螺旋导流条对流道结构有优化作用，使流动死角得到充分消除所致。根据图5计算，模拟值与试验值的误差小于±20%，证明了边界条件设置及模拟方法的可靠性。

2 夹套流场计算与分析

以表1第5组数据为例，探讨不同夹套结构对传热效果的影响。

2.1 夹套3D流线分布

为直观简洁观察流体介质在短管蜂窝夹套(分为短管三角形排列和正方形排列2种)及整体夹套结构内部流动的宏观分布情况，选取完整模型分析流体介质流向走势，得到的夹套结构内部3D流线分布见图6。

图6 不同形式夹套结构内部3D流线分布图

由图6可知，对图6a和图6b的蜂窝夹套，由于交错分布的短管的存在，流体在流经夹套时与短管相互碰撞，流动的速度及方向都发生了较大改变，但流体在夹套内部流动没有显著规律，三角形排列形式的短管夹套结构流动变化比正方形排列形式的夹套结构的更复杂。对图6c的整体夹套结构，由于不存在短管，流体可畅通地流动且流动方向比较单一，流动速度波动较小。

2.2 夹套速度流场分布

针对不同结构形式模型，分别模拟完整模型速度流场分布及z=0.2 m、z=0.5 m、z=0.8 m、x=0.43 m截面处的局部速度分布，见图7～图9。

图7 三角形排列的短管蜂窝夹套速度分布云图

图8 正方形排列的短管蜂窝夹套速度分布云图

图9 整体夹套速度分布云图

由图7a、图8a和图9a这3种结构夹套的整体速度分布云图可知,入口及出口边缘区域的速度均有明显波动。分析认为，由于短管的存在，流体与短管间不停碰撞形成了漩涡，使靠近壁面的流体在层流区域不断缩小，阻碍流体流动，进而使流体在夹套侧的速度降低，流体在夹套内的流动非常缓慢，并且三角形及正方形排列的短管蜂窝夹套内流体流动速度比整体夹套的小。

由图7b和图8b可知，在夹套的内壁、外壁以及短管边缘区域有着明显速度均匀特征，当流体介质通过流通区域时，流体与短管不断碰撞，迫使流体改变流动方向，而流体介质流速也不断减小，这样可以使流体与筒体壁面以及夹套壁面充分接触，进行冷、热流体的热量交换，提高传热效果。图9中，只有在夹套底端才有明显的速度变化特征，流体来不及和筒体外壁面及夹套壁面充分接触就已经停止流动，没有显著的传热效果。分析认为，三角形排列的短管蜂窝夹套结构中的短管排列比正方形排列结构中

的短管排列更密集，流通空间更小，可加强扰流，能够有效提高传热效果，所以三角形排列的短管蜂窝夹套结构传热效果更好。

2.3 夹套温度场分布

针对不同结构形式夹套模型，分别模拟整个夹套模型温度场分布及z=0.2 m、z=0.5 m、z=0.8 m、x=0.43 m截面处的局部温度分布，结果见图10～图12。

图10 三角形排列的短管蜂窝夹套温度分布云图

图11 正方形排列的短管蜂窝夹套温度分布云图

图12 整体夹套结构温度分布云图

由图10a和图11a可知，在短管蜂窝夹套结构中，短管的存在使流体和夹套充分接触，整体温度分布比较均匀，在远离进口处边界出现极少量的高温区域。由图12a可知，由于流体介质没有与整体夹套进行良好换热，温度分布特征不均匀。由图10b、图11b和图12b可知，由于蜂窝夹套短管的存在，在截面处温度分布也是均匀的，而整体夹套中温度分布不均匀， 尤其是在结构底部区域还出现温度过高的现象。

3 短管结构参数对三角形排列短管蜂窝夹套传热性能影响

3.1 短管长径比对传热性能的影响

3.1.1蜂窝夹套速度流场

短管长径比l/d分别为1.5、2.0、2.5以及3.0时的短管蜂窝夹套速度流场分布云图见图13。

图13 不同短管长径比工况下三角形排列短管蜂窝夹套速度流场分布云图

由图13可知，随着短管长径比的不断增大，三角形排列形式的短管蜂窝夹套内流体介质在流过短管后,短管产生的扰流效果好。分析认为，当流体流经夹套时，短管的交错分布使流体与短管间相互不断发生碰撞，并迫使流体改变流动方向，增加其扰流效果，是产生这种现象的原因。

3.1.2蜂窝夹套温度场

短管长径比l/d分别为1.5、2.0、2.5以及3.0时的短管蜂窝夹套温度场分布云图见图14。

由图14可知，短管长径比不断增大时，流动死区不断减少，夹套结构内的温度区域均匀化分布，夹套内传热效果不断提高。分析认为，当流体流经夹套时，交错分布的短管使流体流动空间变小，对流体扰流效果增加，整体温度分布比较均匀，是产生这种现象的原因。

3.2 短管间距对传热性能的影响

3.2.1蜂窝夹套速度流场

短管间距s分别为60 mm、80 mm、100 mm及120 mm时短管蜂窝夹套内的速度流场分布云图见图15。

由图15可知，短管间距越小，三角形排列形式的短管蜂窝夹套内流体介质在流过短管后，流体在夹套内的流动越发缓慢，扰流效果强。分析认为，蜂窝分布越密，流体与短管的接触区域越大，扰流效果越好，是产生这种现象的原因。

3.2.2蜂窝夹套温度场

对不同短管间距s为60 mm、80 mm、100 mm及120 mm多组模型结构进行传热性能分析，得出不同工况的温度分布云图，见图16。

图15 不同短管间距工况下三角形排列短管蜂窝夹套速度流场分布云图

图16 不同短管间距工况下三角形排列短管蜂窝夹套温度分布云图

由图16可知，短管间距减小时，夹套结构内的温度趋于均匀化分布，流体流动的死角区域减少，扰流效果好，传热效果好。分析认为，短管排列越密，流体和夹套充分接触，流通空间狭小，流体与筒体外壁面及夹套壁面充分接触，极大地加强扰流效果，传热效果更显著，是产生这种现象的原因。

4 结语

采用可实现k-ε模型对短管蜂窝夹套结构及整体夹套结构进行了数值模拟，分析了夹套结构模型的速度分布、温度分布以及3D流线图宏观分布。模拟结果表明，三角形排列形式的短管蜂窝夹套传热效果比正方形排列形式的短管蜂窝夹套的好，且短管蜂窝夹套结构传热效果比整体结构传热效果好。分析短管不同短管间距s、不同短管长径比l/d对三角形排列形式的短管蜂窝夹套传热性能的影响，模拟结果表明，随短管间距不断减小，扰流效果较好且流动死角区域减少，整体温度分布趋于均匀化。因此在工程应用设计中，可通过适当减小短管间距来提高传热效果，在相同直径尺寸结构下，可增加短管长度来提高传热效果。