弓形折流板换热器壳程进出口结构优化

弓形折流板换热器壳程进出口结构优化

吴素珍，邵凤祥

(河南工程学院 机械工程学院，河南 郑州 451191)

摘要：采用FLUENT软件对直管形和喇叭口形进出口结构的弓形折流板换热器进行了数值模拟，对这两种结构的壳程压降进行了比较.结果表明，在壳程流速相同时，采用喇叭口形进出口结构的换热器的壳程压降总比直管形进出口结构的压降低且流速越大压降幅度越明显，从而达到节能减排的目的.最后,对两种结构进行了实验研究，将数值模拟结果与实验结果对比分析发现,两者最大误差在8%左右，吻合较好，从而为弓形折流板换热器壳程进出口结构的优化提供了有效依据.

关键词：弓形折流板换热器；进出口结构；数值模拟；压降

中图分类号：TK172文献标志码：A

收稿日期：2015-05-28

基金项目：国家自然科学基金(51375064)

作者简介：吴素珍(1978-)，女，河南濮阳人，讲师，博士研究生,主要研究方向为机械设计.

管壳式换热器的压降是一个重要参数，流体需要通过泵的输送流过换热器，其功率与换热器的压降成正比.换热器壳程的总压降主要包括3个部分，即折流板间流体流动产生的压降、流体流过折流板缺口产生的压降和流体流过壳程进出口由于截面变化产生的压降.

目前，通过改变折流板来减少压降的研究有很多.文献[1-2]研究了螺旋折流板壳程压降，与弓形折流板壳程压降进行了比较，发现螺旋折流板对减少压降有显著作用.文献[3]研究了曲面弓形折流板的壳程压降，比较了不同的折流板间距和缺口高度对压降的影响，发现曲面弓形折流板对减少压降有一定作用.但是,通过改变壳程进出口结构来减少压降却鲜有研究.

采用数值模拟的方法通过改变弓形折流板换热器壳程的进出口结构来研究壳程的压降，与传统结构进行了比较，从数值模拟的结果可得出两种不同结构的换热器在不同流速下壳程的压降情况.本研究为改进换热器的结构来降低壳程压降指出了方向.压降的降低必然会带来功率消耗的减少，从而达到节能减排的目的.

1建立模型

1.1几何模型

传统弓形折流板换热器壳程的进出口采用直管结构，如图1所示.本研究的换热器壳程进出口采用喇叭管结构，如图2所示.假设折流板与换热管及换热器筒壁无间隙.

图1　直管形进出口 Fig.1　Cylindric inlet and outlet

图2　喇叭口形进出口 Fig.2　Horn-shaped inlet and outlet

图1和图2所示的换热器除了进出口结构不一样，其他结构和尺寸完全一样.换热器各参数见表1.

表1　换热器几何参数

1.2网格的划分

根据几何模型的结构特点，采用非结构化网格进行划分.网格大小取3.14，这样可以保证不出现扭曲网格.直管形进出口换热器的网格数为2 880 768，喇叭口形进出口换热器的网格数为2 440 102.

1.3边界条件的设定

换热器中的流体介质为水.流体介质的流动属于不可压流动，故选用分离式求解器.换热器中流体的流动处在湍流状态下，故选用目前应用范围极广的标准k-ε湍流模型，在近壁区选用标准壁面函数法[4-5].由于涉及传热，故启动能量方程.流场数值计算方法选用SIMPLE(求解压力耦合方程组的半隐式方法)，动量、湍流和能量方程的离散采用一阶迎风差分格式[6-8].采用标准化残差的形式来判断计算方程的收敛性,残差精度取默认值，即连续性方程、动量方程及k-ε方程的残差均为10-3,能量方程的残差为10-6.壳程进口的边界类型设置为velocity-inlet(速度入口)，进口温度设为293 K，壳程出口边界类型设置为pressure-outlet(压力出口).由于只关心进出口的压差，故出口压力取默认值，即标准大气压.管程进口的边界类型设置为velocity-inlet(速度入口)，进口温度设置为363 K，管程出口边界类型设置为pressure-outlet(压力出口)，出口压力取默认值.壳体壁面、折流板壁面、两侧管板壁面均设为绝热边界条件.

2结果与分析

对两种不同结构的换热器分别进行数值模拟，比较两个数值模拟的结果可以看出,喇叭口形进出口结构比直管形进出口结构在降低压降方面有明显的优势.分析发现，采用喇叭口形进出口结构能有效减少进口处漩涡的形成、明显改善流动状态，使漩涡引起的压力损失大大减少，从而降低喇叭口形进出口换热器的壳程压降.

2.1压降比较

采用保持管程流速不变、仅改变壳程流速的方法获得了两种不同结构换热器壳程的压降随流速变化的情况.壳程流速从0.1 m/s开始，每隔0.2 m/s计算一次，直到3.7 m/s时结束.每次计算结束后读取壳程进口的压力值，壳程出口边界类型为压力出口，压力值始终为0，壳程进口压力值也就是进出口的压降值.为了比较两种不同结构的进出口对压降的影响，将每种结构19次的计算值进行整理，最后得出压降随流速变化的曲线图，如图3所示.从图3可以看出，在相同流速下采用喇叭口形进出口结构的换热器的壳程压降总是比直管状进出口结构的压降小.随着流速的增加，直管形进出口结构的压降增加幅度大于喇叭口形进出口结构，并且流速越大、喇叭口形进出口结构的壳程压降比直管形进出口结构的压降降低的绝对值越大.因此，壳程的流速越大，采用喇叭口形进出口结构比采用直管形进出口结构的优越性就越突出.

喇叭口形进出口结构的壳程压降相对于直管形进出口结构的压降降低的百分数随流速变化的情况如图4所示.从数值模拟的结果来看，压降降低的百分数随流速的变化基本稳定在69.5%左右.

图3　压降随流速变化情况 Fig.3　The pressure drop versus the flow rate

图4　压降降低百分数随流速变化情况 Fig.4　Percentage reduction of the pressure drop versus the flow rate

2.2压降降低的原因

为了分析进出口结构改为喇叭口形结构后压降降低的原因，沿进口管轴线方向取一垂直于筒体轴线的截面，分别提取壳程进口流体流速为1.7 m/s时两种不同结构换热器这一截面上的速度分布云图.直管形进出口换热器进口处速度的分布云图如图5所示，喇叭口形进出口换热器进口处速度的分布云图如图6所示.

图5　直管形进出口换热器进口处速度分布云图 Fig.5　Velocity distribution of cylindric inlet and outlet heat exchanger’s inlet

图6　喇叭口形进出口换热器进口处速度分布云图 Fig.6　Velocity distribution of horn-shaped inlet and outlet heat exchanger’s inlet

从图5可以看出，截面左右两侧存在较大区域的流体流速几乎接近于0，形成了流动死区.这主要是由于流体边界突然扩大，流动状态随之发生急剧改变，主流脱离边壁从而形成漩涡，此漩涡会引起机械能转化为热能， 从而造成流体速度降低，同时导致压降低.将图6与图5相比可以看出，流速为0的流体区域大大减少，流动状态得到了很大改善，这样漩涡引起的压力损失也大大减少，从而使喇叭口形进出口换热器的壳程压降降低.

3实验结果与数值模拟的对比

本实验采用的换热器与数值模拟所用换热器的几何参数完全一致,所用的流体介质都是水.在两种换热器的进出口法兰处分别布置压力传感器.实验中，保持换热器管程的流速恒定不变，壳程流速从 0.1 m/s开始，每隔0.2 m/s实验一次，直到3.7 m/s结束.分别记录进出口处压力传感器的数值，最后对数据进行整理.

将实验数据整理后得出两种换热器压降随流速变化的曲线图，与数值模拟的结果进行对比，如图7所示.从图7中可以看出，直管形换热器的压降和实验值均比数值模拟值大，对于喇叭口形换热器有同样的规律.这主要是因为数值模拟时所采用的计算模型偏于理想化，实验中换热器的折流板与换热管及壳体之间均存在小的间隙，水流从间隙中穿过时会造成更大的压力损失.

实验记录中压降降低的百分数随流速变化的曲线如图8所示.从图8中可以看出，和数值模拟的结果相比，实验测得的压降降低百分数基本稳定在64.0%左右.

图7　压降随流速变化的实验结果与数值模拟结果对比 Fig.7　Comparison between the numerical simulation result and experiment result of the pressure drop versus the flow rate

图8　压降降低百分数随流速变化实验结果 Fig.8　Experiment result of the pressure drop percentage reduction versus the flow rate

4结论

采用FLUENT软件对两种不同进出口结构的弓形折流板换热器进行了数值模拟，发现在壳程流速相同时，采用喇叭口形进出口结构的换热器的壳程压降总是比直管形进出口结构小.壳程流速越大，采用喇叭口形进出口结构的优越性就越突出.从数值模拟结果来看，压降降低的百分数随流速的变化基本稳定在69.5%左右.所以，采用喇叭口形进出口结构能有效减少进口处漩涡的形成，使漩涡引起的压力损失大大减少，从而使喇叭口形进出口换热器的壳程压降降低.将数值模拟结果与实验结果进行了对比,两者的误差在8%左右,吻合较好.

参考文献：

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[2]石玉，宋天民，张国福，等.螺旋折流板换热器的总换热系数和压降的研究[J].通用机械，2006(8):65-67.

[3]高宏宇,钱才富.曲面弓形折流板换热器壳程压降的数值模拟[J].压力容器，2010，27(2)：24-27.

[4]韩占忠,王敬,兰小平.流体工程仿真计算实例与应用[M].北京: 北京理工大学出版社,2004.

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The optimization of inlet and outlet structure of segmental baffles heat exchanger

WU Suzhen， SHAO Fengxiang

(CollegeofMechanicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract:This study, by using the software FLUENT, has simulated the segmental baffles heat exchanger in cylindric and horn-shaped inlet and outlet structures. A comparison between two structures’ shell-pass pressure drop shows that the pressure drop of horn-shaped inlet and outlet structure is much lesser than that of cylindrical inlet and outlet structure and the pressure drop reduction between the two structures was more obvious at the higher flow rate. Furthermore, an experimental study on the two structures has been carried out. A comparison between the numerical simulation result and experiment result shows that the two match well when the maximum error between experimental results and numerical simulation results is about 8%. This can provide effective basis for the improvement of the inlet and outlet structure in the segmental baffles heat exchanger.

Key words:the segmental baffles heat exchanger；the inlet and outlet structure；numerical simulation；pressure drop