折流挡板倾斜角度对管壳式换热器传热影响的数值模拟

崔海波，耿向瑾

折流挡板倾斜角度对管壳式换热器传热影响的数值模拟

崔海波，耿向瑾

（云南电力试验研究院（集团）有限公司，云南 昆明 650217）

利用CFD软件，通过对小型管壳式换热器建立数值模型，研究改变折流挡板倾斜角度（0°、5°、10°、15°、30°和45°）对换热器内部流场以及换热效果的影响规律。结果表明：在不同入口水速下（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s），换热器内水流温升率和总热传率受折流挡板倾斜角度变化的影响规律不同；随着折流挡板倾斜角度的逐渐增大，换热器内部压力分布逐渐均匀，换热器进、出口压降减小；折流挡板倾斜角度取5°时，可以获得较小的压降率、较大的温升率和总热传率。

换热器；管壳式；折流挡板；倾斜角度；温升率；总热传率；压降；换热效果

换热器是指将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，其在工业中应用极为普遍，例如锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器，电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、给水加热器等[1-2]。传统节段折流板壳和管式换热器存在出现滞流区、传热系数低和压降大等问题，但是这些问题可以通过优化换热器结构设计被解决[3-6]。王庆锋等[7]研究了折流板间距与换热器对流传热系数的关系，结果表明，折流板间距越大，壳程对流传热系数越小，压降也越小，当折流板间距为330 mm 时，换热器换热效率最高，此时换热器在较小的压降下可以获得较大的对流传热系数。党明岩等[8]利用ICEM和Fluent软件对管壳式换热器的壳程流场进行了三维数值模拟，研究了折流挡板对壳程流场的影响，结果表明：由于存在流动死区，折流板后方会出现温度比周围温度高的区域；随着折流板的数量增加，流体的湍流程度增加，流体的出口温度提高，换热器的传热效率提高。

在各类换热器中，壳程式换热器占主要地位，约占各类换热器总量的70%。对于管壳式换热器，按壳程流体的流动方向可分为横向流、纵向流和螺旋流，而针对不同的壳程流动形态，换热器的性能呈现较大差异。Chen等人[9]提出了一种新型的螺旋折流板换热器，包括圆周重叠三螺旋折流板壳和管式换热器，克服了螺旋式自然扇形折流板扇形区不均匀性问题，并利用数值模拟对该种换热器内部流场进行了模拟。

有效性和成本是换热器设计中的2个重要参数。各生产领域对换热器不断提出新的要求，使得换热器的性能改进日显重要，以往单一的通过试验研究改进换热器的方法很难满足工业快速发展的需求。而运用数值模拟方法来进行实用性更强、计算效果更准确的换热器壳程流场模拟已越来越得到认可和关注[10]。同时，数值模拟的方法更便于研究各类单一因素的影响，从而可以定量研究换热效果随各项指标的变化规律[11-12]。因此，为了在管壳式换热器的合理成本下提高换热性能，本文在管壳式换热器的基础上，利用数值模拟方法，研究改变折流挡板倾斜角度对换热器内部流场以及换热效果的影响。

1 数学模型建立

1.1 换热器模型建立及网格划分

本文研究的换热器为普通管壳式换热器，由管壳、换热管、进出口和折流挡板组成，其结构参数见表1[13]。

表1 本文管壳式换热器基本参数

Tab.1 Basic parameters of the shell-tube heat exchanger

由于换热器壳程结构相对复杂，在保证相关物理量准确的前提下，建模时作如下简化假设[14]：1）忽略折流板与换热管、折流板与筒体之间的间隙；2）增加换热器壳程进、出口直管段长度，保证流体稳态流动；3）假设流体流动和传热过程是均一、稳定的；4）对传热导致的水流物理性质如密度、黏性和比热容等的变化忽略不计；5）流体为牛顿流体，不可压缩、各向同性且连续；6）忽略拉杆、定距管、防冲板等结构对壳程流场计算的影响。

对简化的管壳式换热器建立数值模型，折流挡板倾斜角度为0°的几何模型如图1所示，倾斜角度分别为5°、10°、15°、30°和45°的折流挡板局部模型如图2所示。

图1 换热器数学模型及尺寸

图2 不同倾斜角度折流挡板模型局部示意

1.2 基本控制方程

基于不可压缩的牛顿流体假设，在常物性和宏观热能守恒的假设下，管壳式换热器内部流动传热过程涉及的控制方程均可表示成以下通用形式[15]：

1.3 网格独立性验证

本文为稳态数值模拟，需要取换热器出口水温的变化进行网格无关性验证[14]。利用GAMBIT对 网格进行划分，利用Fluent进行计算，分别记录了不同网格数时换热器出口水温的变化。在折流挡板倾斜角度为0°、进口水流速度为0.1 m/s工况下换热器出口水温的变化规律如图3所示。由图3可见，当网格数超过120万时，温度变化曲线趋于平衡，所以可认为140万的网格数已达到网格无关，因此取网格数为141.775万的模型作为计算模型。

图3 换热器出口水温随计算网格数的变化规律

1.4 边界条件设置

换热器入口边界条件设置为速度入口，介质为水，假设入口速度分布均匀，忽略重力影响，入 口速度根据试验工况，分别取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s，速度方向垂直于边界，温度为25 ℃。出口边界条件设置为自由出口。换热器外壳为不可渗透、无滑移的绝热壁面。取换热管外壁温度为恒温105 ℃。应用SIMPLE算法进行压力速度耦合，采用二阶迎风格式。

2 结果与讨论

2.1 温升率

取进、出口水温差值与进口水温的比值——温升率为因变量，不同入口水速下，其随折流挡板倾斜角度的变化规律如图4所示。

图4 不同入口水速下折流挡板倾斜角度对温升率的影响

由图4可知，在入口水速为0.1、0.2 m/s时，温升率随折流挡板倾斜角度的增大而逐渐降低；在水速为0.3、0.4 m/s时，温升率随折流挡板倾斜角度的增大先水平波动，后逐渐降低；在水速为0.5 m/s时，温升率随折流挡板倾斜角度的增大先升高，后逐渐降低。不同入口水速下，换热器出口水温随折流挡板倾斜角度变化的规律不同，这是因为换热器内水流状态和换热效果同时受入口水速和设备结构的影响，在入口水速较低时，折流挡板倾斜角度增大，压降减小，水流速度增加。

图5为0.1 m/s入口水速下换热器内部速度分布云图。由图5可见，随折流挡板倾斜角度增大，换热器内水流速度逐渐增大，因此水流与换热管间的换热时间缩短，温升率降低（图4）。在入口水速较高时，随折流挡板倾斜角度逐渐增大，水流扰动加强，较小的湍流扰动可提高水温；但随折流挡板倾斜角度再继续增大，挡板后部形成涡流（图6），在水流速度为0.5 m/s、折流挡板倾斜角度为45°时，挡板后部区域形成了明显的速度分层。

图5 0.1 m/s入口水速下换热器内部速度分布云图

图7则进行了局部放大，给出了入口水速为0.5 m/s时挡板后部的水流矢量图。通过对比可得，换热器内局部换热加强，但对换热器整体换热效果不利，致使温升率降低。

2.2 压降率

为了对换热器的压降程度进行横向比对，取换热器进、出口压力差值与进口压力值的比值——压降率为因变量，不同入口水速下，其随折流挡板倾斜角度的变化规律如图8所示，0.5 m/s入口水速下不同倾角对应的换热器内部压力分布云图如图9所示。由图8可知，各入口水速下，压降率均随着折流挡板倾斜角度的增大而先减小再增大再减小。由图9可知，随折流挡板倾斜角度逐渐增大，换热器内部高压力区域减少，压力分布逐渐均匀。这是由于随折流挡板倾斜角度增大，换热器内部结构改变，轴向流通面积增大，阻力减小，从而使得换热器进出口压降减小。

图6 0.5 m/s水流速度下换热器内部速度分布云图

图7 0.5 m/s入口水速下局部速度分布矢量图

图8 不同入口水速下折流挡板倾斜角度对压降率的影响

图9 0.5 m/s入口水速下换热器内部压力分布云图

2.3 总热传率

不同入口水速下，换热器内总热传率随折流挡板倾斜角度变化规律如图10所示。

图10 不同入口水速下折流挡板倾斜角度对总热传率的影响

由图10可知，总传热率变化规律与温升率相同：在入口水速为0.1、0.2 m/s时，总热传率随折流挡板倾斜角度的增大而逐渐降低；在入口水速为0.3、0.4 m/s时，总热传率随折流挡板倾斜角度的增大先水平波动，后逐渐降低；在入口水速为0.5 m/s时，总热传率随折流挡板倾斜角度的增大先升高，后逐渐降低。这表明，在不同入口水速下，换热器内部传热过程受折流挡板倾斜角度变化的影响规律不同。其原因是总热传率高低主要受换热器内部水流状态的影响。折流挡板倾斜角度较小时，可以加强水流扰动，增强换热效果；当折流挡板倾斜角度继续增大，局部换热加强，总热传率降低。

此外，由图10还可看出，随进口水速增加，换热器总热传率增大。这是因为，在相同换热器内部结构下，入口水速增大，水的质量流率升高，换热器内扰动增强，换热管表面换热速度增加，总热传率升高。

3 结论

1）当体积流率小于2%时，逐渐增大换热器内折流挡板倾斜角度，换热器出口水温降低，总热传率减小；当体积流率大于2%、小于4%时，逐渐增大换热器内折流挡板倾斜角度，换热器出口水温和总热传率先水平波动，当倾斜角度大于20°以后，换热器出口水温和总热传率逐渐减小；当体积流率大于5%时，逐渐增大换热器内折流挡板倾斜角度，换热器出口水温和总热传率先增大，当倾斜角度大于10°以后，换热器出口水温和总热传率逐渐减小。

2）随折流挡板倾斜角度的逐渐增大，换热器内部轴向流通面积增大，压力分布逐渐均匀，进、出口压降减小。

3）在各体积流率工况下，折流挡板倾斜角度取5°时，可以获得较小的压降率、较大的温升率和总热传率。

［1］ 史美中, 王中铮. 热交换器原理与设计[M]. 5版. 南京: 东南大学出版社, 2014: 24-41. SHI Meizhong, WANG Zhongzheng. Principle and design of heat exchanger[M]. 5th ed. Nanjing: Southeast University Press, 2014: 24-41.

［2］ 黄其斌. 换热器传热与流阻特性测试平台的开发及标定[D]. 南京: 南京工业大学, 2016: 54-68. HUANG Qibin. Development and calibration of test platform for heat transfer and flow resistance characteris-tics of heat exchangers[D]. Nanjing: Nanjing University of Technology, 2016: 54-68.

［3］ 陈建军, 王诗涵, 王海波. 基于BP神经网络的换热器涡流检测探头参数的预测研究[J]. 吉林化工学院学报, 2013, 30(3): 32-34. CHEN Jianjun, WANG Shihan, WANG Haibo. The research of exchanger eddy current testing probe parameters prediction based on BP neural network[J]. Journal of Jilin Institute of Chemical Technology, 2013, 30(3): 32-34.

［4］ 郭文哲, 郭凯华, 陈正满. 换热器管束中折流板的正确机加及穿装管束工艺技术[J]. 中国化工装备, 2016(1): 23-25. GUO Wenzhe, GUO Kaihua, CHEN Zhengman. The machining process of baffles and inserting technology of tubes for tube bundle of heat exchanger[J]. China Chemical Industry Equipment, 2016(1): 23-25.

［5］ 李秋英, 陈杰, 尹全森. 大型LNG换热器结构设计及换热性能模拟[J]. 石油与天然气化工, 2017, 46(1): 34-37. LI Qiuying, CHEN Jie, YIN Quansen. Structural design and heat transfer performance simulation of large LNG heat exchanger[J]. Petroleum and Natural Gas Chemical Industry, 2017, 46(1): 34-37.

［6］ 魏乐, 马彬彬. 基于系统动力学的省煤器建模与仿真[J]. 热力发电, 2017, 46(10): 36-40. WEI Le, MA Binbin. Modeling and Simulation of economizer based on system dynamics[J]. Thermal Power Generation, 2017, 46(10): 36-40.

［7］ 王庆锋, 庞鑫, 赵双. 管壳式换热器传热效率影响因素及数值模拟分析[J]. 石油机械, 2015(10): 102-107. WANG Qingfeng, PANG Xin, ZHAO Shuang. The numerical simulation analysis on heat transfer efficiency influence factors of shell and tube heat exchanger[J]. China Petroleum Machinery, 2015(10): 102-107.

［8］ 党明岩, 方毅. 折流挡板对管壳式换热器壳程流场影响的数值模拟[J]. 沈阳理工大学学报, 2017, 36(1): 17-20. DANG Mingyan, FANG Yi. Flow field numerical simulation of effect of the baffle on the shell side of shell-and-tube heat exchanger[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2017, 36(1): 17-20.

［9］ CHEN Y P, SHENG Y J, DONG C, et al. Numerical simulation on flow field in circumferential overlap trisection helical baffle heat exchanger[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 1035-1043.

［10］ TZANETAKIS T, MOLOODI S, FARRA N, et a1. Spray combustion and particulate matter emissions of a wood derived fast pyrolysis liquid ethanol blend in a pilot stabilized swirl burner[J]. Energy & Fuels, 2011, 25(4): 1405-1422.

［11］ 申加旭. 地沟油及其生物柴油工业炉窑内雾化特性模拟研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2018: 31-42.SHEN Jiaxu. Simulation of atomization characteristics of ditch oil and its biodiesel industrial furnaces[D]. Kunming: Kunming University of Technology, 2018: 31-42.

［12］ RAJ K T R, SRIKANTH G. Shell side numerical analysis of a shell and tube heat exchanger considering the effects of baffle inclination angle on fluid flow using CFD[J]. Thermal Science, 2012, 16(4): 26-30.

［13］ 付磊, 付丽娅, 唐克伦, 等. 基于FLUENT的管壳式换热器壳程流场数值模拟研究[J]. 四川理工学院学报(自然科学版), 2012, 25(3): 17-21. FU Lei, FU Liya, TANG Kelun, et al. Numerical simulation study of shell-side fluid in shell-and-tube heat exchanger through Fluent[J]. Journal of Sichuan University of Science and Technology (Natural Science), 2012, 25(3): 17-21.

［14］ FABIO D L, SIMONE M, SALVATORE M, et al. An extended verification and validation study of CFD simulations for planing hulls[J]. Journal of Ship Research, 2016, 60(2): 101-118.

［15］陶文铨. 数值传热学[M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社, 2001: 5-7. TAO Wenquan. Numerical heat transfer[M]. 2nd ed. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2001: 5-7.

Influence of inclination angle of baffle on heat transfer of shell-and-tube heat exchanger: numerical simulation

CUI Haibo, GENG Xiangjin

(Yunnan Electric Power Test Research Institute (Group) Co., Ltd., Kunming 650217, China)

By using the CFD software, numerical model of a small scale shell-and-tube heat exchanger was established, and the influence of inclined angle (0°, 5°, 10°, 15°, 30° and 45°) of the baffle on internal flow field and heat transfer effect of the heat exchanger was studied. The results show that, the temperature rise rate and the total heat transfer rate are affected by the inclination angle of the baffle at different inlet flow velocities (0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 m/s). The pressure drop decreases with the increase of the inclination angle at different inlet flow velocities. A smaller pressure drop rate, a larger temperature rise rate, and a larger total heat transfer rate could be obtained when the inclination angle is 5°.

heat exchanger, shell-and-tube, baffle, inclination angle, temperature rise rate, total heat transfer rate, pressure drop, heat transfer effect

TK172

A

10.19666/j.rlfd.201809168

崔海波, 耿向瑾. 折流挡板倾斜角度对管壳式换热器传热影响的数值模拟[J]. 热力发电, 2019, 48(5): 31-35. CUI Haibo, GENG Xiangjin. Influence of inclination angle of baffle on heat transfer of shell-and-tube heat exchanger: numerical simulation[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 31-35.

2018-09-04

崔海波(1979—)，男，工程师，主要研究方向为节能减排新技术研究与应用，707708915@qq.com。

（责任编辑 李园）