卡丽娜(Kalina)循环系统蒸发器入口结构流场数值模拟分析*

张元吉，李治国，张 涛

(兰州兰石换热设备有限责任公司，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

板式热交换器作为一种高效节能型的热交换设备，因其独特的结构设计，相较其它类型的热交换器具有良好的传热性能和流动阻力性能，得到了广泛的应用和发展。板壳式换热器是一种全焊接板式热交换器是集板式换热器和管壳式换热器优点于一身的新型换热设备,与管壳式换热器相比,它具有换热效率高,端部温差小,压降低,占地面积小以及节约工程费用、设备安装费用和装置操作费用等优点，在石油化工、节能环保系统中有着广泛的应用[1-4]。

卡丽娜(Kalina)循环作为一种高效、经济和低污染的动力转换方式已经为越来越多的人所重视[5]。此技术中关键换热设备蒸发器的作用就是将冷凝下来的氨水溶液再次加热蒸发生成氨蒸汽，去推动汽轮机做功。蒸发器运行的效果直接到影响到整个系统的运行效率。

目前对板式热交换器的研究主要在板型、波纹结构、流道内流体分配等方面对热交换器性能的影响[6-16]。为了深入研究卡丽娜(Kalina)循环系统中板壳式蒸发器的氨水侧入口结构形式对板式热交换器性能的影响，文中通过固定进口流量，调整氨水侧入口结构形式，对比分析了12个间距30°均布孔、6个间距30°孔、6个间距25.7°孔三种不同氨水侧入口结构形式下对板壳式蒸发器氨水侧流场分布情况的影响。笔者采用Fluent数值模拟的方法，对氨水侧进口结构形式进行调整、对比、分析，进而确氨水侧入口的最佳结构参数，为卡丽娜(Kalina)循环系统中板壳式蒸发器的性能优化设计提供基础。

1 数值计算模型

1.1 物理模型

在SolidWorks软件中进行3D三维几何模型的建立。考虑到分析模型的网格划分情况，将模型进行适当简化。根据开孔形式和适当优化，简化完成的分析模型共3个，如图1所示。

图1 模型

1.2 数学模型

板壳式蒸发器的氨水侧进口流体分配问题主要涉及不可压缩流体动力学力学基本方程包括连续性方程、动量方程、和能量方程。相关的控制方程如下。

连续性方程：

(1)

ρ(∇·ν)=0 或 ∇·ν=0

(2)

即：

(3)

i方向直角坐标系中的动量守恒方程：

(4)

能量守恒方程：

(5)

RNG k-ε模型：

ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中： U、V、W为流动速度分量；ρ为流体密度；Р为压力；V为运动粘度；Ui为i方向的速度分量；a为热扩散系数，m2/s。Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项；Αk、αε分别为湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数；C1ε、C2ε、C3ε均为经验常数。

1.3 边界条件与网格划分

1.3.1 边界条件

载荷及边界条件见表1 ，进出口采用周期性边界条件，入口设置为质量流量、压力入口。出口设置为质量流量、压力出口。两侧边界设置为对称边界条件。

表1 载荷及边界条件

1.3.2 网格划分

根据图1建立模型，导入hypermesh中进行网格划分，全部模型采用六面体/四面体混合网格，并对小孔处进行网格加密，网格质量优秀。全模型共有105万个控制体，如图2所示。

图2 网格

2 数值模拟结果与分析

2.1 氨水管圆周方向开12个孔

根据图1中第一个模型，圆周方向每30°开一个孔，共12个孔，划分网格并进行计算后所得计算结果如图3、4所示。

从流线图3中可以看出氨水从管孔喷出后，均匀的分布于罐体四周，但是出口的流线疏密程度不均匀，所以该机构需要进一步优化。

图3 流线图 图4 矢量图

从左右两侧出口流速图5中也可以看出左右两侧的流量不均匀，所以需要进一步调整。

图5 左右两侧出口流速图

2.2 氨水管圆周出口方向开6个孔夹角30°

根据计算沿圆管及进出口两侧各开3个孔，孔的测算依据由图6所示，如果能够使氨水喷出的宽度与出口的宽度相当，那么至少得满足内圆上开孔边缘与外圆的连线是a线，那么初步计算出开孔的中心线为b夹角为30°。所以根据图1第二个模型划分网格并进行计算。流线图及矢量图如图7、8所示。

图6 布孔计算示意图

图7 流线 图8 矢量图

从图9 左右两侧出口流速图可以看出，左右两侧出口流速都比较均匀，流线分布也比周向开12个孔均匀。

图9 左右两侧出口流速图

2.3 氨水管圆周出口方向开6个孔夹角26°

为了更进一步研究夹角小于30°的时候是否均匀，根据图6的计算方法，减小孔间夹角为26°进行计算，模态如图1中3氨水管圆周出口方向开6个间距25.7°孔图。如图10～13所示。

图10 流线图 图11 矢量图

通过计算可以看出当开孔的夹角为26°时，由于开孔间距减小造成相邻两个孔中的液体相互影响，从而造成了底部湍流比较大，而出口不均匀的情况。

图12 截面水体积分数

图13 流线左右两侧流速

3 结 论

通过固定进口流量，调整板壳式蒸发器氨水侧入口结构形式，调整、对比、分析了12个间距30°均布孔、6个间距30°孔、6个间距25.7°孔三种不同氨水侧入口结构形式下板壳式蒸发器入口的流场分布情况，进而得出以下结果。

(1) 板壳式蒸发器的氨水侧入口结构形式对设备内流场分布情况的影响较大。

(2) 通过计算可知在氨水进入管四周均匀开12个孔是不合理的，主要是受到出口开口方向的限制和中间的管道影响。

(3) 合理的开孔方向应该是如图6所示，小孔的外切线的延长线与大圆的交点等于或者略小于开孔尺寸，经过计算得到小孔的开孔角度为30°即氨水管圆周出口方向开6个孔夹角30°。计算结果可以看出两个出口及设备内流场分布比较均匀。

(4) 为了更进一步证实开孔角度为30°的合理性，选取了26°的开孔角度即氨水管圆周出口方向开6个孔夹角26°进行计算，计算结果可以看出两个出口及设备内流场分布不均匀，结构不合理。