插管式换热器换热管空间排布优化

摘 要：目前对换热器提高传热性能的研究主要以在换热管内插入内件的方式和清理换热管结垢等方式为主。二者尽管增强换热器的传热性能，但实验成本高、操作难。该文提出将管排序优化应用于插管式换热器中，利用Fluent软件对换热器空间排布不同的流场进行数值模拟分析，并进行实验验证。数值模拟发现，在相同条件下，叉排排布的空气最高温度明显高于顺排。实验发现，叉排排布的出口温度高于顺排；叉排排布的出口流量大于顺排。结果表明，叉排排布方式不仅提高换热器的换热性能，减少实验成本，降低实验难度，缩短实验时间，而且叉排排布换热器的换热效果更佳，具有更好的应用性。

关键词：插管式换热器；空间排布；传热过程；数值模拟；Fluent软件

中图分类号：TK172 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0063-04

Abstract： At present， the research on improving the heat transfer performance of heat exchanger is mainly by inserting internals in the heat exchanger tube and cleaning up the fouling of the heat exchanger tube. Although they enhance the heat transfer performance of the heat exchanger， the experimental cost is high and the operation is difficult. In this paper， the tube sequencing optimization is applied to the tube heat exchanger， and the flow field of different spatial arrangement of the heat exchanger is numerically simulated and analyzed by Fluent software， and verified by experiments. The numerical simulation shows that under the same conditions， the maximum air temperature of the cross arrangement is obviously higher than that of the sequential arrangement. It is found that the outlet temperature of the fork arrangement is higher than that of the sequence arrangement， and the outlet flow of the cross arrangement is higher than that of the sequence arrangement. The results show that the cross arrangement not only improves the heat transfer performance of the heat exchanger， reduces the experimental cost， reduces the experimental difficulty and shortens the experimental time， but also has better heat transfer effect and better application.

Keywords： tube heat exchanger; spatial arrangement; heat transfer process; numerical simulation; Fluent software

随着人们对能源的需求，管式换热器成为提高能源利用率的节能设备之一。管式换热器具有易拆卸、换热性好、成本低等优点，在工程应用中带来了可观的经济效益[1]。本文研究的插管式换热器不仅具有简单的结构、拆卸容易、修理方便快捷等一系列的优点，而且通过插管式换热器与热风炉的配合可进行多级换热，在满足烘干粮食的前提下，改变热功率，提升空气温度，从而达到节能的作用[2]。随着人们对换热器流场研究的不断升级，基于Fluent软件的数值仿真技术，可轻松解决换热器内部对流传热计算任务量大且不易操作的难题。采用数值仿真技术对换热器的参数进行分析，具有仿真精度高、计算效率高、操作方便等优点。可以通过改变初始边界条件来仿真出不同的速度场、温度场、压力场等流场，从而计算出求解结果，并进行对比分析，得出最优的参数[3]。本文基于Fluent仿真的方法对插管式换热器中换热管顺排和叉排的空间排布方式分别进行传热特性的研究。由于3个区域的换热管排布方式相同，因此仅对一区的换热管排布方式进行研究即可。通过对换热器综合性能的评估，得到最佳的管间距排布组合。

1 插管式换热器工作原理及结构

1.1 插管式换热器的工作原理

首先使煤在热风炉内燃烧，加热炉内温度，产生高温烟气，然后高温烟气进入净化系统，以高温烟气的形式进入换热器内部3个区域的换热管，并将换热管进行加热，在主换热区内完成换热，最后进入干燥及排水系统，将加温后的空气导出完成粮食干燥作业。图1为插管式换热器的工作原理。

1.2 插管式换热器的主要结构及材料

插管式换热器主要是由壳体、换热管、折流板等结构组成。插管式换热器的长、宽、高为2 952 mm×4 500 mm×2 500 mm；一区的换热管外径为20.75 mm，内径为15.75 mm，换热管厚度为5 mm，长度为2 500 mm；换热管间距为74 mm。插管式换热器的换热管及壳体材料均为310S不锈钢。

2 传热过程方程

当流体流动时，流体与管壁面之间产生摩擦，流体和换热管之间以热量传递的方式开始导热[4]。根据牛顿冷却定律，管侧的表面传热系数hs表达式

整个传热过程热功率Ｑs，单位W，表达式为

， （2）

式中：？着为吸收率；？滓为波尔兹曼常数；Ao为换热管的传热面积，m2；Tt，i为换热管侧流体入口温度，K；Tt，o为换热管侧流体出口温度，K。其中传热面积的计算式为

（3）

式中：Ｎpa为换热管个数；do为换热管外径，mm；L为换热管长度，mm。

辐射系数[5]F计算式为

式中：Ｐ为温度有效度；Ｒ为热容比。？驻T为换热器平均温差，单位K，表达式为

式中：Ｔt，i为换热管侧流体入口温度，Ｋ；Tt，o为换热管侧流体出口温度，Ｋ；Ts，i为壳侧流体的入口温度，K；Ts，o为壳侧出口流体的温度，K。

3 建立换热器物理模型

3.1 物理模型

根据本文要求利用Gambit软件构建了顺排和叉排的物理模型，如图2所示。管束由691个换热管组成，顺排管束为19排21列，且顺排横向与纵向间距均为74 mm，叉排管束为19排21列，且叉排横向间距为30 mm，纵向间距为44 mm；模型节点数为118 534，网格数为355 752。

3.2 设置边界条件

将换热器入口边界条件设置为速度入口，速度方向与入口边界垂直，入口速度为0 m/s；入口压强为93 600 Pa；将换热器出口边界条件设置为压强出口，出口压强为-10 500 Pa；设置Wall 1为换热管，换热管表面为静止无滑移壁面，换热管温度340 K；设置Wall 2为壳体，壳体温度253 K；设置流体为空气，从文献中查得空气参数[6]，空气的入口温度253 K；换热管材料为310S不锈钢，其发射率为0.8，外辐射温度为335 K，换热功率2 727.5 K。

4 计算结果与分析

4.1 求解设置

选择COUPLED算法求解速度场与温度场的耦合。湍流模型选择标准k-ε模型。当连续性方程和速度方程的残差小于10-3，能量方程的残差小于10-4，并且换热器进、出口质量流量守恒，进、出口温度和压力稳定时，可判定计算迭代收敛。

4.2 求解结果

4.2.1 传热性能

叉排和顺排的速度场分布如图3所示。顺排排布每一排换热管排布均匀，空气流动变化较小，流动顺畅；叉排排布换热管交错排布，空气在管束间呈曲线流动趋势，流动路径渐缩渐扩。结果表明，叉排排布换热管可提高空气与换热管之间的传热性能。

叉排和顺排的温度结果如图4所示。由于入口空气温度较低，因此在前排管附近，2种排布方式传热效果较强烈，但随着空气温度的逐渐升高，叉排排布的换热效率明显高于顺排排布的换热效率。实验结果表明，顺排排布的空气温度最高为307 K，叉排排布的空气温度最高可达340 K。所以，在边界条件一致的情况下，叉排排布的换热效果更佳。

4.2.2 综合性能评价

通过努塞尔数随雷诺数的变化如图5所示，在雷诺数相同的情况下，叉排排布换热器的努赛尔数明显高于顺排；从斜率上看，叉排的努塞尔数比顺排的增长趋势更快。结果表明，随着雷诺数的升高，叉排排布具有更好的传热性能。

通过阻力系数随雷诺数的变化如图6所示，叉排和顺排排布换热器的阻力系数随着雷诺数的增加逐渐减少，但顺排的阻力系数显然低于叉排。结果表明，换热管空间排布越均匀，阻力系数越低。

利用综合换热评价指标（Performance Evaluation Criterion，PEC）对2种换热器排布方式进行综合性能评估，PEC随雷诺数的变化如图7所示，叉排的PEC高于顺排的20%～30%。结果表明，虽然顺排阻力系数明显高于叉排，但叉排的努赛尔数远高于顺排。由此可见，叉排排布换热器的综合性能更佳。

5 实验验证

5.1 实验目的

搭建换热器实验平台，利用实验数据采集器（图8）测量叉排排布和顺排排布的实验数据。其目的是测量叉排和顺排的空气出口流量与温度；采用不确定度分析法，验证数值模拟计算参数的准确性。

5.2 数据采集

对顺排排布和叉排排布的实验数据分别测量，测量时间约30 min，测量结果如图9所示。

5.3 不确定度分析

在测量数据的过程中，仪器存在着误差。在计算数据时，其也存在着误差[7]。因此对这些误差进行不确定度分析。2种换热区内平均努塞尔数Nus和Nuc的不确定度为

2种换热区内阻力系数fs和fc的不确定度为

2种换热区内平均雷诺数Ｒes和Ｒec的不确定度为

通过上式计算发现，顺排的平均努塞尔数Ｎus的不确定度在5.31%以内，阻力系数fs的不确定度在5.74%以内，平均雷诺数Res的不确定度在6.27%以内；叉排的平均努塞尔数Ｎuc的不确定度在4.11%以内，阻力系数fc的不确定度在5.34%以内，平均雷诺数Rec的不确定度在5.57%以内，以上参数结果均满足误差要求。

6 结论

本文对插管式换热器中换热管空间进行排布分为了顺排和叉排2种排布方式，并进行了数值模拟对比分析，得出以下结论。

1）叉排排布换热器的传热性能强于顺排排布换热器。在相同的边界条件下，叉排排布换热器中空气最高温度高于顺排33 K。

2）利用PEC综合性能评价对2种管排的分析可知，虽然顺排阻力系数高于叉排，但叉排的努赛尔数远高于顺排。在相同的雷诺数下，叉排的PEC高于顺排的20%～30%。叉排排布换热器的综合性能更佳。

3）通过实验数据可知，叉排排布的出口温度高于顺排；叉排排布的出口流量大于顺排。不确定度分析法检验了参数的准确性。叉排排布换热器的换热性能更完善。

参考文献：

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[2] 陈颖.粮食烘干机用热风炉换热器的设计与应用[J].黑龙江粮油科技，2001（3）：27-28.

[3] 刘天力，王凯，王博，等.大型多级管式换热器组仿真分析及模拟实验[J].工业炉，2017，39（4）：18-22.

[4] MANIKUMAR R， PALANICHAMY R， ARASU A V. Heat transfer analysis of an elevated linear absorber with trapezoidal cavity in the linear Fresnel reflector solar concentrator system[J].Journal of Thermal Science，2015，24：90-98.

[5] 董永申，王定标，向飒，等.倾斜螺旋片强化的套管换热器数值模拟[J].浙江大学学报（工学版），2015，49（2）：309-314.

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[7] 薛栋，赵钢，樊建锋，等.一种新型钢筋保护层测定校准装置的研发和不确定度分析[J].中国测试，2018，44（8）：82-86.