油封低温冷却器折流板开孔的传热性能

郑小涛，徐 成，喻九阳，林 纬，彭常飞

(武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205)

0 引 言

换热器广泛应用于能源、石化、制冷空调、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行业领域中，并在其中占有相当大的投资比例[1-4].通过改进换热器的结构和换热管型以及通过增加流体的扰动来提高换热器的换热效率，对高效换热器的设计与研发有很大作用，对节能减排与提高能源利用率也有重大意义.单弓形折流板能使壳程流体横向冲刷管束，具有显著提高壳程的传热系数的作用，从而提高换热器的整体传热性能.同时壳程的压降也大大增加，且在折流板背面存在流动死区.对如何有效的利用折流板来提高换热器的传热系数并满足压降要求具有很大的实际意义.下面分析折流板开孔对油封低温冷却器传热性能的影响，以及提高换热器的综合换热性能.

1 分析模型

油封低温冷却器用于C6(一种碳氢物代号)的冷却，属于单弓形折流板管壳式换热器.其管程为低温冷却水，入口温度为5 ℃；壳程为碳氢物，入口温度为40 ℃，其物理性质及初始条件如表1所示.油封低温冷却器采用单弓形折流板，弓缺25%，壳体内径273 mm，换热管外径20 mm，管心距32 mm，采用90°布管方式.

表1 壳程流体物理性质Table 1 The shell pass fluid physical properties

2 数值计算方法

利用Fluent软件对油封低温冷却器折流板开孔进行数值模拟，分析换热器内部流场图、温度分布图与压降图，为实验提供了充分的理论依据.

分析过程中，采用选用FLUENT 3D单精度求解器，非耦合稳态隐式(simplec)求解；选择双方程的Standardk-ε Model(湍流模型)和 Standard Wall Functions(标准壁面函数法)[5].

边界条件：

(1)管壁：constant temperature wall；温度 278 K；

(2)入口：velocity inlet；速度0.4 m/s和 0.6 m/s；温度 443 K；

(3)出口：outflow；

(4)壳体壁面：wall no-slip(速度无滑移).

设置残差监视器和流场初始化后，开始迭代计算，保存case和data文件，最后进行结果后处理.在计算过程中，设置了4、6、8、10、12块不同的折流板数，其间距分别为400 mm、260 mm、200 mm、170 mm、130 mm.以入口速度为0.4 m/s和0.6 m/s这两种不同入口速度下进行了模拟，把折流板开孔与未开孔进行了对比.

图1 折流板开孔建模图Fig.1 Perforated baffle model

图2 壳程建模图Fig.2 The shell pass model

3 结果与讨论

3.1 开孔前流场分析

图3 V=0.4 m/s折流板数6时未开孔温度云图Fig.3 The temperature field cloud diagram of none perforated baffle under V=0.6 m/s and number of baffle is 6

图3为入口速度为0.4 m/s，折流板数为6时的温度云图.从温度云图可以看出折流板背部温度较高，这是由于折流板背部死区存在漩涡，导致局部温度升高.折流板背部流动速度较低，存在死区，解释了折流板背部温度较高的现象.在单弓形折流板管孔间开孔，使壳程在折流板侧形成一定量的纵向流可以弱化甚至消除折流板侧的滞流区，并增大流体湍流程度，从而强化传热并降低流阻[6].

3.2 折流板开孔后压降与传热系数的变化

当入口速度为0.4 m/s时，其折流板数与压降关系如图4所示，折流板数与传热系数的关系如图5所示.压降随着折流板数增加而增加，折流板开孔与不开孔相比较，开孔后的折流板，其壳程压降明显降低，并随着折流板数的增加，降幅增加，最大达到50.4%(见图4).压降的降低，将减少外部额外动力的输入，保证输出动力满足工业要求.同时，壳程传热系数随着折流板的增加而增大，但折流板开孔后与未开孔相比较，折流板开孔后传热系数有所下降，但下降幅度明显低于压降下降幅度，其最小降低9.4%，最多降低19.6%，且随着折流板数增加壳程传热系数降幅增加(见图5).

图4 V=0.4 m/s折流板数与压降关系图Fig.4 The relationship diagrams of baffled numbers with pressure drop under V=0.4 m/s注： 折流板开孔； 折流板未开孔

3.3 利用开孔后特性提高传热系数

图5 V=0.4 m/s折流板数与传热系数关系图Fig.5 The relationship diagrams of baffled numbers with the heat transfer coefficient under V=0.4 m/s注：开孔；未开孔

图6 V=0.4 m/s时同压降下传热系数对比Fig.6 When V=0.4 m/s and equal pressure drop,heat transfer coefficient compared注：开孔；未开孔

同样，随着入口流速的增加，当壳程入口速度提高为0.6 m/s时，其压降与传热系数均上升，上升趋势与入口速度为0.4 m/s一致.在折流板开孔并增加壳程折流板数与折流板未开孔相比较,相同压降下传热系数变化如图7所示.

图7 V=0.6 m/s同压降下传热系数对比Fig.7 Heat transfer coefficient compared underV=0.4m/s and equal pressure drop注：折流板开孔；折流板未开孔

4 结 语

利用CFD技术，采用Fluent软件对于油封低温冷却器折流板开孔进行数值模拟计算，得出以下结论.

a. 折流板开孔后，有效改善折流板背部死区现象，大大降低壳程压降，最大可以降低50.4%.

b. 折流板开孔后，随着压降的大幅度降低，其壳程的对流传热系数也在降低，但降低的幅度小于压降降低幅度.

c. 开孔后增加折流板在满足压降的要求的情况下传热系数可以提高，最大提高22%，最低降低8.7%.油封低温冷却器折流板开孔对提升单弓形折流板管壳式换热器性能有明显的提高，并利用其压降有较大降幅的特点，提高总体传热系数，达到提高换热器的性能的目的.

参考文献：

[1] 林宗虎.强化传热其工程应用[M]. 北京:机械工业出版社,1985.

[2] 史美中.热交换器原理与设计[M].南京:东南大学出版社,1995.

[3] 顾维藻.强化传热[M]. 北京：科学出版社,1990.

[4] 吴峰，李青.热声理论的研究进展[J].武汉工程大学学报,2012,34(1):1-6.

[5] 王为良.管壳式换热器壳侧流场数值模拟[D].北京：中国石油大学，2010.

[6] 喻九阳,王泽武.单弓形折流板开孔试验研究[J].石油化工设备，2004:33(2): 4-6.

[7] 明廷臻，周程，刘伟.管内填充环状金属多孔介质强化传热优化分析[J].武汉理工大学学报，2011,33(3)：62-66.

[8] 黄晓艳，王华. R245fa传热特性的实验研究[J].武汉理工大学学报，2011，33(3):67-71.