结构参数对折边式蜂窝夹套传热性能的影响

张正峰 董金善 史为帅 刘林波

（南京工业大学机械与动力工程学院）

在石油化工行业中，反应器属于一种比较常用的化工容器，对反应器进行冷却或加热是常见的操作之一。蜂窝夹套作为一种新型、高效的夹套结构，在石油化工、医药等行业广泛应用［1］。

蜂窝夹套虽有优秀的传热性能和力学构造，但其结构较为复杂，导致过去很少有人对它进行深入研究。但是近年来，有限元软件技术的快速发展，为蜂窝夹套研究和模拟计算打下了良好的基础［2，3］，特别是CFD技术在夹套内部流动特性的模拟分析研究已取得了显著的成果［4，5］。丁昌勇和尹侠研究对比了蜂窝式和整体式夹套薄膜蒸发器的筒体压力水平，得出可以通过适当减小筒体和夹套的厚度来降低生产成本［6］。张立垛和马玉龙将蜂窝夹套应用于薄膜蒸发器上，使得薄膜蒸发器的壁厚得以减小，既保证其强度和刚度，又提高其传热效率，同时分析了折边式和拉撑式蜂窝夹套的结构特点，得出了蜂窝拐角设计的取值在40～45°之间［7］。杜海英等分析了薄膜蒸发器在生产制造和使用过程中可能出现的隐患失效形式，并提出合理的改善措施，利用分析软件ANSYS对蜂窝夹套强度的影响因素进行了分析［8，9］。范琦和尹侠从蜂窝形式、间距等特性参数考虑，采用模拟的方法对其换热性能和压降进行分析，得出蜂窝间距对传热性能影响很大的结论；蜂窝间距越小，换热性能越好，而排列方式要选择插排的形式［10～12］。Belytschko T B和Kennedy J M对夹套反应釜结构进行数值模拟研究，得出流体的介质特性和流速大小对传热系数的影响规律，可为工程设计提供一定的参考［13］。Fan Q和Yin X研究了蜂窝高度对于压降和传热的影响，得出蜂窝高度是影响折流板式蜂窝夹套压降和传热的主要因素［14］。

为了研究工程应用中折边式蜂窝夹套的传热性能，笔者采用FLUENT 17.0软件分别对三角形和正方形排列的折边式蜂窝夹套和整体夹套内的流场进行模拟分析。

1 模型与计算方法

1.1 模型简化处理

折边式蜂窝夹套设备结构如图1所示，夹套介质为导热油，内筒体介质为水。筒体内直径1 300mm，高度1 515mm，材料为S22053；夹套内直径1 380mm，高度1 410mm，材料为S22053；蜂窝的其他结构尺寸见表1。

表1 蜂窝夹套结构尺寸

图1 折边式蜂窝夹套设备结构示意图

图1中的蜂窝夹套按照三角形排列时，采用Solid Works软件建立夹套简化结构1/2模型如图2所示。

图2 折边式蜂窝夹套结构1/2简化模型

1.2 模型网格划分

利用FLUENT前处理器ICEM CFD 17.0对蜂窝夹套进行网格划分处理，采用六面体核心方法划分网格，并对蜂窝和夹套边缘区域进行网格加密处理，以增加计算精度［15］。划分后的折边式蜂窝夹套半模型网格数量约为147万，经网格无关性验证后，满足精度的要求。最后将处理的网格文件.msh导入到FLUENT中计算分析。划分两种排列方式的蜂窝夹套网格模型如图3所示。

图3 折边式蜂窝夹套结构的网格模型

1.3 设置边界条件

进口边界为导热油流速进口，设置速度依次为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0m/s，温度为160℃；出口设置为自由出口。夹套内壁面由于无法准确获得筒内壁的对流给热系数，边界条件设定热通量20kW/m2［16］；夹套外壁面设为绝热面（T=300K）；对称面设置为对称边界。

1.4 求解器设置

在分析夹套结构内流场变化时，为了使模型在计算后能更好地达到收敛性，进一步提高计算结果的精度，本章节模型的求解器设置为压力速度耦合求解器，同时选用SIMPLE算法进行求解，并将流体三大基本控制方程离散格式均设置成二阶迎风差分格式［17］，残差精度设定为10-6。同时，在截面Y=0.50m处对流体速度进行监视，在截面X=0.45m处对流体温度进行监视，当所监视流体速度和流体温度曲线的变化趋于稳定并达到了收敛状态，则认为计算结果的准确度符合要求。

2 不同夹套流场计算分析

2.1 不同夹套的3D流线图分析

为观察流体介质在折边式蜂窝夹套和普通整体夹套结构内部流动分布情况，选取3种不同结构模型形式下的流体流动3D流线图，观察分析流体介质流向走势的异同。不同形式夹套3D内流线图宏观分布如图4所示。

图4 不同形式夹套结构3D流线图

从图4可以看出，三角形排列的折边式蜂窝夹套和正方形排列的折边式蜂窝夹套中，流体在夹套内部流动时与蜂窝发生相互碰撞，流体的流动速度和方向都发生改变，不会产生较大面积的涡流现象；三角形排列的折边式蜂窝夹套结构内流体的流动变化比正方形排列的夹套结构更为复杂；在整体夹套结构中，由于无蜂窝的扰流影响，流体的流动比较单一，在夹套的中上部区域产生了多个大面积的涡流区域，不利于流体之间的换热。

2.2 夹套的速度流场分析

为了直观了解不同结构形式下模型的整体速度和内部速度的分布情况，分别选取模型整体速度流场分布云图（图5a1～c1）、截面Y为0.1、0.4、0.8、1.2m和截面Z=0.67m处的局部速度流场分布云图（图5a2～c2）进行分析。

图5 不同形式夹套速度流场分布云图

由图5a1～c1可知，在流体进、出口边缘区域的速度均有显著的波动。其中，三角形排列的蜂窝夹套速度波动最为明显，正方形排列的蜂窝夹套速度波动次之，整体式夹套的速度波动最小。从整体速度大小的情况来看，三角形和正方形排列的折边式蜂窝夹套内流体流动速度比整体夹套内流体速度小。分析认为，由于折边式蜂窝的存在，使得流体在夹套内的流动受阻，流体流动的能量损失较大，从而使得流速变小。

由图5a2～c2可知，在三角形排列和正方形排列的夹套内、外壁边缘和蜂窝边缘区域速度大小比较均匀，而整体夹套内流体只有在夹套的上下端才出现明显的速度改变。这是由于蜂窝的存在，使得流体穿流过该处的流通区域时，流体与具有一定锥度的蜂窝相互发生碰撞，流体流速降低，使得流体与筒体内壁面、蜂窝内壁面和夹套壁面接触充分，促进冷、热流体进行热量交换，提升传热效果。而整体夹套没有蜂窝，致使流体在中部区域产生了大面积涡流现象，造成了此处的流速较小，甚至有停滞的现象。

比较三角形与正方形排列的夹套局部速度分布云图可以看出，流体介质在三角形排列的蜂窝夹套内流动情况比在正方形排列的更均匀。这是由于蜂窝交叉排列的影响，三角形排列的折边式蜂窝夹套结构中的蜂窝排列疏密度比正方形排列结构中的蜂窝排列得更加密集，流体介质与蜂窝碰撞的次数更加频繁，加强了蜂窝的扰流效果，从而有助于提升传热效果。因此，三角形排列的折边式蜂窝夹套结构传热效果更好。

2.3 夹套的温度场分析

为了直观了解不同结构形式下蜂窝夹套模型的整体温度和内部温度变化情况，分别选取模型整体温度场分布云图（图6a1～c1）、截面Y为0.1、0.4、0.8、1.2m和截面Z=0.67m处的局部温度场分布云图（图6a2～c2）进行分析。

由图6a1～c1可知，两种排列方式的折边式蜂窝夹套中，由于蜂窝的存在，使得夹套内流体与筒体内壁的接触更加充分，除了进口处出现局部的高温区域以外，夹套的其他部分温度分布相对均匀。整体式夹套中，除流体进口温度过高以外，在夹套中上部区域，出现了大面积的局部低洼区域。这是由于流体流动方向没有变化，使得流体介质与夹套无法进行良好的换热，导致整体式夹套的温度分布不均匀，在中间区域出现局部低温，这与整体夹套内的3D流线流动产生的涡流区域相一致。正是流动涡流的存在，致使该区域的流体造成大面积停滞，从而导致此处的冷、热流体换热效果不明显，传热性较差。

图6 不同形式夹套温度场分布云图

由图6a2～c2可知，蜂窝夹套中由于蜂窝的存在，在不同截面的温度分布也相对均匀；整体式夹套中，温度分布不均匀，尤其在夹套的顶部和中间偏上部位分别出现温度过高和低洼的区域。

3 结构参数对三角形排列折边式蜂窝夹套传热性能的影响

3.1 蜂窝间距对传热性能的影响

对蜂窝间距L分别为140、150、160、170mm的4组模型结构进行传热性能分析，得出不同蜂窝间距时速度流场分布云图（图7）和温度场分布云图（图8）。

由图7可知，随着蜂窝间距的不断增大，蜂窝整体的最大流速呈增大的趋势。分析认为，这是因为随着蜂窝间距的增大，蜂窝的分布密度变得稀疏，使得流动流体的损失在减小，从而使得流体的流速增加。但是，随着蜂窝分布密度的减小，使得蜂窝夹套内流体的扰流效果变差，使得流体流动的死角区域增加，不利于夹套的换热。

图7 不同蜂窝间距时速度流场分布云图

由图8可知，在设备的进口处均出现了温度过高现象，其中在蜂窝间距为140mm时，温度过高区域最小，且随着蜂窝间距不断增大，温度过高区域不断增大。分析认为，这是因为随着蜂窝间距的增大，蜂窝排列越稀疏，蜂窝的扰流性变差，流体介质与夹套和筒体内壁面接触越加不充分，致使换热效果变差。

图8 不同蜂窝间距时温度场分布云图

3.2 蜂窝锥度对传热性能的影响

对蜂窝锥度α为40、45、50、60°的4组模型结构进行传热性能分析，得到不同蜂窝锥度时速度流场分布云图（图9）和温度场分布云图（图10）。

图9 不同蜂窝锥度下速度流场分布云图

图10 不同蜂窝锥度下温度场分布云图

由图9、10可知，在设备入口处均出现了速度的波动现象，并且该处均出现不同程度的温度过高区域。其中当蜂窝锥度α=45°时，温度过高区域最小，温度云图相对较均匀；当蜂窝锥度α=50°时，温度过高区域最大；其他蜂窝锥度下的温度过高区域处于以上两种锥度之间。

在工程应用中，蜂窝锥度α一般取40～60°［18］，为了能够进一步了解蜂窝夹套传热特性与蜂窝锥度之间的关系，分别对α为40、45、50、60°4种不同蜂窝锥度的三角形排列的折边式蜂窝夹套结构进行数值模拟，并进行传热计算，得到不同蜂窝锥度下，折边式蜂窝夹套的夹套侧给热系数随流量变化的曲线（图11）。

图11 不同蜂窝锥度时夹套侧给热系数随流量的变化

由图11可知，在α取45°时，折边式蜂窝夹套的夹套侧给热系数比其他3种锥度的都高，这种锥度的给热系数最好。在工程应用中，从结构的强度和传热方面考虑，折边式蜂窝夹套的蜂窝锥度宜选45°。

4 结论

4.1 三角形排列的折边式蜂窝夹套传热效果比正方形排列的折边式蜂窝夹套传热效果好；且折边式蜂窝夹套结构传热效果比整体式夹套结构传热效果好。

4.2 随着蜂窝间距不断减小，夹套侧给热系数不断增加，蜂窝的扰流效果更好，蜂窝夹套的整体温度分布更加均匀。在工程设计中，一定的条件下可适当减小蜂窝间距以提升其传热效果。

4.3 在工程应用中，当蜂窝锥度为45°时，蜂窝夹套的夹套侧给热系数最好，流动死区较小且温度分布较均匀。