折流板间距对换热器换热性能的影响

2023-09-19孙立潮赵承志栾德玉

石油化工设备技术 2023年5期

孙立潮,赵承志,佀闻,张翔,栾德玉

(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061)

管壳式换热器是目前化工领域应用最广泛的一种换热器,其特点主要是结构相对简单,换热效率高。近几十年来,世界能源消耗量急剧增加,各个国家对节能要求逐渐提高,针对换热器的换热性能研究也成为了热门领域。研究主要围绕提高传热效率和降低压力损失,并保证换热器运行的可靠性等方面进行【1】。关于换热器的研究已取得了较多成果【2-3】。

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)方法进行的换热器研究最先由Patankar和Spalding等人提出【4】,后来经过逐渐发展,形成了较为完善的计算体系。高绪栋【5】运用数值模拟的方法研究了不同折流板对换热器换热性能的影响, 利用JF因子作为评价指标,得出了如下结论:随着折流板间距的减小,死区和旋涡减小,换热效果逐渐变好;折流板缺口增大, 压力损失和换热效果都相应减小,并且当折流板间距改变时,其对应的折流板的最佳缺口高度也会发生改变。蔡毅【6】研究了板式换热器内的流体流动及换热特性,建立了两种分配区,通过分析速度矢量图, 得出进口分配区的流体分布不均匀的结论,其通过在换热区建立12个测试面进行测试,发现流体分配的最不均匀性出现在分配区和换热区的交接处。此外,还通过分析不同的波纹倾角β下的流动状态,详细说明了十字交叉流和曲折流的特点。Wang等【7-8】对比了多样折流板纵向流与分段折流板两种管壳式换热器,从能耗方面进行分析,为管壳式换热器的进一步设计和应用提供了依据,同时采用大涡进行模拟研究,得出小管径下翅片式换热器的换热效率更高的结论。吴志伟【9】提出了异径孔折流板和锥纹管,并采用数值模拟的方法研究了其构造的新型高效换热器的流体流动和传热特性,可为新型换热器的工艺设计和工程应用提供参考。刘妮等【10】对百叶窗翅片管换热器空气侧进行了模拟分析,发现随翅片间距的减小,空气侧的流动助力和换热性能增大,且雷诺数不同,其对应的翅片最佳间距也不同。王兆蕊【11】模拟研究了四分螺旋折流板换热器,通过改变螺旋角和搭接量,分析其对该换热器换热性能的影响,找到了相对较好的角度和搭接量,为工程应用提供了理论参考。

本文应用Fluent17.0软件进行模拟分析,对比相同条件下改变内部折流板间距对换热器壳程流动与传热性能的影响,计算结果以进、出口温度和压降表示, 并以JF因子、壳程换热系数、压降、单位压降的壳程传热系数、单位泵功率壳程传热系数衡量换热器的换热性能,以此来评定折流板间距对换热器壳程流动与传热性能的影响。

1 数值模拟方法

1.1 建立模型

本文采用三维软件Solidworks 2016建立几何模型,由于实际模型体积较大,较为复杂,考虑到计算机的计算能力及计算效率,对模型进行了一定程度的简化。换热管的排列方式为正方形排列,换热器简化的几何模型如图1所示。折流板的几何模型如图2所示。换热器基本结构参数如表1所示。

表1 换热器基本结构参数

图1 换热器几何模型

图2 折流板几何模型

1.2 网格划分及边界条件设置

以折流板间距200 mm为例,将保存好的.x-t文件导入fluent软件中的Geometry模块中,运用Geometry模块中的surface和fill功能划分流体域,然后将除换热管之外的部分抑制掉,并将生成的冷热流体域和换热管组成一个新部分,对应软件中的part,方便进行网格划分,之后再将其导入网格划分软件mesh模块。采用整体性的网格划分,网格类型采用较为稳定的四面体网格,网格的最小尺寸定为6 mm,网格数量为6 164 575,同时对进、出口及换热面分别命名,然后导入Fluent进行数值模拟。

本文使用Fluent17.0对折流板换热器性能进行数值模拟研究, 网格文件导入后, 选择湍流模型中的k-epsilon模型, 并在k-epsilon 模型中选择standard模型, 近壁面选择标准壁面函数法, 相关参数保持默认值, 然后在材料库中添加管、壳程介质和换热管材料分别为液态水和结构钢。

材料添加完成后进行边界条件的设置,采用速度进口边界条件和压力出口边界条件,具体设置如下:

1) 进口边界条件

根据设备的工艺条件,管程与壳程进口均采用速度进口边界条件,管程进口与壳程进口流量Ms=3.5 kg/s;管、壳程进口温度恒定,分别为Tt,in=473.15 K,Ts,in=513.15 K。

2) 出口边界条件

管程与壳程出口均采用压力出口边界条件,管、壳程出口压力Pt,out=1.6 MPa。

3) 壁面边界条件

换热管壁面设置为耦合边界条件,使管、壳程内流体通过壁面进行传热,壳体壁面与折流板壁面设置为无滑移、不可渗透的绝热边界条件,忽略折流板的导热及换热器与外界环境的热交换,近壁面处采用标准壁面函数法。

1.3 求解方法设置

完成边界条件设置后,通过solution method命令对求解方法进行设置。本模拟选择分离变量隐式求解,采用速度与压力耦合的SIMPLE算法,即控制方程中的压力项采用标准离散格式进行求解,以便能更好、更快地收敛。动量项、能量项均采用二阶迎风格式。然后进行求解控制参数的设置,简单地说,就是对方程中的松弛因子进行设置。松弛因子是方程迭代求解时各项变化的系数,松弛因子越大,计算至收敛的步数越少,反之,松弛因子越小,计算至收敛的步数越多,但过大的松弛因子会造成求解不收敛或发散。在一些不容易收敛的计算中,可先调小松弛因子,再随着计算过程的进展,逐步增大至默认值。本模拟的各项松驰因子均采用默认值。

2 模拟结果及分析

计算过程中壳程流量恒定不变,保持在Ms=3.5 kg/s,分别对折流板间距120、160、200、240和280 mm时的换热性能进行数值模拟,并对模拟结果进行分析。

2.1 速度矢量图分析

截取了5个不同折流板间距下的速度矢量分布,如图3所示。

图3 不同间距下的速度矢量分布

由图3可以看出,折流板将壳程流体分成了几个错流区,壳程流体在遇到折流板时,其流动方向发生变化,随着折流板间距的增大,壳程流体流动方向逐渐倾斜。折流板间距较小时,流体垂直流过管束,增加了流体的湍流强度,流速增大,对流传热系数也较大,但每块折流板的背面,会形成低速流动的“流动死区”,进而影响换热,随着折流板间距的增大,“流动死区”的区域随之增大,对流传热系数也随之下降。

2.2 折流板间距对壳程压降的影响

换热器在壳程流动过程中,其阻力损失主要有两种,分别是摩擦阻力损失和局部阻力损失,以压降为主要的表示形式。压降(Δp)是评价换热器功耗的一个重要指标,很显然,压降越小,所需要的功耗也就越小,换热器的成本也会降低。因此,本文对不同折流板间距下的压降进行了对比分析。图4 为壳程压降随折流板间距的变化曲线。由图4可以看出,随着折流板间距的逐渐增大,壳程压降逐渐降低。造成这一现象的原因在于,折流板间距的减小,使得固定壳体长度下,折流板数量增加,相当于阻碍流体流动的部件增加,从而使壳程流体横掠流速增加,而压降与流速的平方成正比,流体流速越快,所受到的流动阻力也就越大,因此,折流板间距越小,流动阻力越大,功耗越高。

图4 壳程压降随折流板间距变化曲线

2.3 折流板间距对对流传热系数的影响

对流传热系数hs是评价换热器换热性能的一个重要指标,对流传热系数越大,相同介质条件下传热过程越剧烈。该换热器在不同折流板间距下对流传热系数的变化曲线如图5所示。由图5可以看出,随着折流板间距的增大,对流传热系数上下波动,但总体呈现下降趋势,在折流板间距为120 mm时,对流传热系数最大,当间距增加到280 mm时,对流传热系数最小。其原因可能是由于换热管壁面周围存在层流边界层,间距相对较小时,湍流程度较大,其边界层就很薄,相应的热阻就会减小,对流传热系数就会较大,反之则会相对减小。

图5 对流传热系数随折流板间距变化曲线

2.4 折流板间距对换热器综合性能的影响

单位压降对流传热系数(hs/Δp)和单位泵功率对流传热系数(hs/Δp1/3)是评价换热器综合性能的两个重要指标。图6和图7分别是单位压降对流传热系数(hs/Δp)和单位泵功率对流传热系数(hs/Δp1/3)随折流板间距变化曲线。由图6和图7可以看出,随着折流板间距的增大,hs/Δp也在增大,hs/Δp1/3虽有波动,但总体处于上升趋势,换热器的综合换热性能有所提高。