管壳式换热器弓形折流板的结构优化

吕林 虞斌 王风录 江超

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403007

摘 要 为研究某高温烟气急冷器空气二次冷却系统的流动与传热特性，建立了管壳式换热器简化模型，运用ANSYS软件进行数值模拟，分析了折流板数量、相对缺口高度、折流板间距和换热器进出口管布置方式对换热器性能的影响。结果表明：折流板数量越多，相对缺口高度越小，换热器压降越大，换热系数越大，综合性能指标越小;高温区域折流板间距小、低温区域折流板间距大的换热器比等间距折流板换热器平均换热系数提高了4.3%，平均综合性能指标提高了2.3%;空气出口管布置在热流体进口侧比布置在热流体出口侧平均换热系数提高了6.5%，平均综合性能指标提高了4.3%。

关键词 弓形折流板 管壳式换热器 综合性能指标 结构优化 ANSYS

中图分类号 TQ051.5   文献标志码 A   文章编号 0254?6094（2024）03?0368?07

Structural Optimization of Bow?Shaped  Baffles in Shell?Tube Heat Exchangers

LV Lin， YU Bin， WANG Feng?lu， JIANG Chao

（School of Mechanical and Power Engineering ， Nanjing Tech University ）

Abstract   For purpose of investigating both flow and heat transfer characteristics of a high?temperature flue gas quenchers air secondary cooling system， a simplified model for the shell?tube heat exchanger was established and then simulated with ANSYS software， including analyzing the effect of baffle plates quantity，baffle gaps relative height， baffle spacing and the arrangement of both inlet and outlet pipes on the heat exchanger performance. The results show that， the more number of baffle plates can make the height of the  baffles relative notch smaller; the greater pressure drop of the heat exchanger brings about greater heat transfer coefficient and smaller comprehensive performance index. The average heat transfer coefficient of the heat exchanger with small baffles spacing in the high?temperature region and large baffles spacing in the low?temperature region can be increased by 4.3% and the average comprehensive performance index increased by 2.3% compared with the heat exchanger with equal spacing baffles. The average heat transfer coefficient can be increased by 6.5% and the average comprehensive performance index increased by 4.3% when the air outlet pipe is arranged at the inlet side of the hot fluid.

Key words   bow?shaped baffle， shell?tube heat exchanger， comprehensive performance index， structural optimization， ANSYS

作者简介：吕林（1998-），硕士研究生，从事新型高效传热传质设备的研究。

通讯作者：虞斌（1965-），教授，从事化工过程机械的研究，abyu@njtech.edu.cn。

引用本文：吕林，虞斌，王风录，等.管壳式换热器弓形折流板的结构优化[J].化工机械，2024，51（3）：368-374.

管壳式换热器因具有结构简单、可靠性好、通用性强及制造成本低等优势，广泛应用于石油炼化、化工生产、能源、食品加工、制冷及余热回收等行业[1～3]。折流板作为管壳式换热器的关键部件，不仅具有支撑换热管管束的作用，而且还能增强换热器壳程流体的湍动程度，提高换热效

率[4]。近年来，研究学者们设计了各种类型的折流板，如传统弓形折流板、偏转折流板及重叠螺旋折流板等，但由于制造工艺的限制，目前弓形折流板仍然是应用范围最广的折流板[5～7]。弓形折流板最重要的结构参数是折流板的板间距和板缺口高度，研究学者们针对这两个参数开展了诸多研究。张少维等研究了折流板间距对换热器性能的影响，并对比了弓形折流板和螺旋折流板在相同间距下的壳程压力损失和换热系数，发现在相同流量下弓形折流板的换热系数大于螺旋折流板，但在单位压降下螺旋折流板的换热系数大于弓形折流板[8]。高章帆等对弓形折流板不同间距和不同缺口高度条件下换热器壳程流体的流动过程进行了数值模拟，得到了折流板结构参数对壳程流体流动状态、停留时间和压降的影响，并提出了弓形折流板流动死区存在的位置及其影响因素[9，10]。李贵等研究了折流板不同开孔位置对换热器性能的影响，发现在折流板压强较高的区域开孔，可以有效减小换热器压降，减小流动死区[11]。刘秀峰等提出以换热量与换热器流动阻力引起功耗的比值作为换热器综合性能评价指标[12]。

虞斌等开发设计了一种新型的高温高尘急冷器，该设备可将1 500 ℃的高温烟气在极短时间（0.01 s）内冷却到750～900 ℃[13]。该换热器采用双套管形式的管壳式换热器，由双套管水、蒸气自然循环一次冷却和管壳式空气二次冷却结构组成。笔者主要对管壳式空气二次冷却系统进行研究，以得到最佳的折流板结构。

1 模型和数值方法

1.1 物理模型

图1为双套管换热器三维模型。双套管内管管内为高温烟气，双套管环隙内为冷却水，双套管外管外侧为冷空气，其换热后产生的热空气可以用于燃料的助燃，同时具有保温隔热的作用，从而提高换热器的换热效率，减小外保温层厚度。

双套管换热器的相关结构尺寸如下：

换热器长度 6 156 mm

壳体（直径×壁厚） 1216 mm×6 mm

换热内管（直径×壁厚） 62 mm×5 mm

套管数量 51根

换热外管（直径×壁厚） 89 mm×5 mm

折流板壁厚 10 mm

空气进口管（直径×壁厚） 250 mm×6 mm

空气出口管（直径×壁厚） 250 mm×6 mm

图2为双套管换热器的物理模型，其中d和h分别为折流板的板距和缺口高度。参考弓形折流板常用的缺口高度范围为0.2D～0.45D（D为筒体直径）[14]，为表达简洁，定义相对缺口高度h*为：

h=（1）

为研究折流板间距对换热器性能的影响，设计了3种折流板布置方式（图3）。图3中，S1型为等间距布置;S2型为高温区域间距小，低温区域间距大;S3型为高温区域间距大，低温区域间距小。

为研究进出口管布置位置对换热器性能的影响，设计了3种进出口布置方式（图4）。图4中，T1型为空气与冷却水逆流布置;T2型为空气与冷却水顺流布置;T3型为空气与冷却水顺流布置且进出口管均在下侧。

1.2 控制方程和边界条件

采用Fluent软件，在有限体积离散区域内建立标准的不可压缩质量守恒方程、Navier?Stokes方程和组分输运方程，对壳程流体的流动过程进行三维数值模拟：

▽·[u][→]=0（2）

+[u][→]·▽[u][→]=f-▽p+v▽[u][→]（3）

+▽·（[u][→]c）=▽

·▽

c（4）

式中 c——单位流体中示踪剂的浓度，kg/m3;

f——源项;

p——流体压力;

Sc——施密特数;

t——流动时间，s;

u——流体的湍动黏度，Pa·s;

[u][→]——流体速度，m/s;

v——运动黏度，m2/s;

ρ——流体密度，kg/m3;

▽——哈密顿算子。

换热器壳程介质为空气，进口设置为速度进口，温度为25 ℃，出口设置为压力出口，压力为0.2 MPa。换热器套管的内管侧为高温烟气，进口设置为速度进口，速度为60 m/s，温度为1 050 ℃，出口设置为压力出口，压力为0.3 MPa;换热器套管的内外管环隙为冷却水，进口设置为质量进口，质量流速为1.1 kg/s，温度为110 ℃，出口设置为压力出口，压力为4 MPa。设置折流板、换热管和设备壁面均为无滑移壁面。选择适用范围最广的标准k?ε模型作为湍流模型。计算方法采用压力和速度耦合的coupled算法;动量、能量、湍动能和湍流耗散率方程均采用二阶迎风格式[15，16]。

1.3 参数计算

壳侧总换热量Q、换热系数H的计算式为：

Q=mc（T-T）（5）

H=（6）

式中 c——介质的定压比热容，J/（kg·K）;

d——壳体直径，mm;

L——有效长度，mm;

m——质量流量，kg/s;

N——换热管数;

T——温度，K;

下标 f——壳侧流体;

in——入口;

out——出口;

w——壁面。

为综合比较换热器的换热与流动性能，采用综合性能指标J=H·Δp-1/3作为评价指标[17，18]。

1.4 网格划分及无关性验证

设置相对缺口高度h*=0.35，折流板数量n=6，折流板布置方式S1型，进出口管布置方式T1型，网格划分结果如图5所示。当空气进口质量流量为2.53 kg/s时，分别取256万、321万、386万、458万4组网格数量的模型进行网格无关性验证，结果如图6所示。可以看出，对于网格数量为386万、458万的模型，两者的换热系数和壳程压降十分接近，差值仅为1.7%、3.7%，说明此时增加网格数量对仿真结果影响不大。综合考虑计算时间、精度和成本的要求，最终选定网格数量为386万。

2 仿真结果分析

2.1 壳程流场

设置相对缺口高度h*=0.35，折流板数量n=6，折流板布置方式S1型，进出口管布置方式T1型，进口空气质量流量为2.53 kg/s。图7为壳程空气

速度流线图。可以看出，空气流入换热器后呈“Z”字形流动，流场分布不均匀，流体流经折流板时，流动方向发生突变，在缺口区流速较高，流体以较高速度横向冲刷换热管束;当流体经过折流板后，在折流板背风区流速降低，形成流动死区和回流区。

图8为沿z轴不同位置（1.168、2.119、3.070、4.021、4.972 m）处的速度和温度云图。由图8a可以看出，在同一截面处空气流速不均匀，在折流板缺口处空气流速大，随着空气冲刷换热管，空气流速逐渐减小。由图8b可以看出，在同一截面处空气温度分布不均匀，在空气流速大的区域温度较低，在空气流速小的区域温度较高。

2.2 折流板数量和相对缺口高度对换热器性能的影响

设置折流板数量n为6、8、10，相对缺口高度h*为0.25、0.30、0.35，折流板布置方式S1型，进出口管布置方式T1型。图9为不同折流板数量和相对缺口高度下的换热器性能曲线。由图9a可以看出，压降随着空气质量流量的增加而增加，并且随着折流板数量的增加，相对缺口高度的减小，压降增大的趋势逐渐显著;在相同质量流量下，折流板数量越多，相对缺口高度越小，压降越大。由图9b可以看出，换热系数随着空气质量流量的增加而增加，在相同的质量流量下，折流板数量越多，相对缺口高度越小，换热系数越大。由图9c可以看出，综合性能指标随着空气质量流量的增加而增加。当n=10，h*=0.25时，换热器压降最大，换热系数最小，综合性能指标最差;当n=6，h*=0.35时，换热器压降最小，换热系数最小，综合性能指标最好。经计算，n=6、h*=0.35模型比n=10、h*=0.25模型的平均压降降低了70.1%，平均换热系数降低了24.6%，平均综合性能提高了13.4%。

2.3 折流板间距对换热器性能的影响

设置折流板数量n=6，相对缺口高度h*=0.35，进出口管布置方式T1型。图10为不同折流板间距下的换热器性能曲线。由图10a可以看出，S1、S2、

S3这3种折流板的布置形式对换热器的壳程压降影响不大。由图10b可以看出，S2布置形式下的换热器换热系数和综合性能指标最高，平均换热系数比S1布置形式提高了4.3%，平均综合性能指标提高了2.3%;S3布置形式下的换热器换热系数和综合性能指标最低，平均换热系数比S2降低了3.2%，平均综合性能指标降低了4.3%。可见，若换热器较长，换热器热流体进出口温差较大，可以采用高温区域折流板间距小、低温区域折流板间距大的非等间距折流板布置形式。

2.4 进出口管布置方式对换热器性能的影响

设置折流板数量n=6，相对缺口高度h*=0.35，折流板布置方式为S1型。图11为不同进出口管布置方式下的换热器性能曲线。由图11a可以看出，T1、T2、T3这3种布置方式对换热器的壳程压降影响不大;T2、T3方式下的换热器平均出口空气温度比T1的平均出口空气温度分别提高了10 K

和8 K。由图11b可以看出，T2方式下的换热器换热系数和综合性能指标最高，比T1的平均换热系数提高了6.5%，平均综合性能指标提高了4.3%;T3方式下的换热器换热系数和综合性能指标最低，比T1的平均换热系数降低了2.3%，平均综合性能指标降低了3.3%。因此，进出口管可以采取上下布置的方式，使空气充分冲刷换热管，并且使空气出口管布置在高温区域。

3 结论

3.1 不同布置方式下的换热器压降、换热系数、综合性能指标均随着空气质量流量的增加而增加。

3.2 折流板数量越多，相对缺口高度越小，换热器的压降越大，换热系数越大，综合性能指标越小。因此，压降受折流板数量和相对缺口高度的影响最大。

3.3 当换热器热流体进出口两侧温差较大时，可以采用高温区域折流板间距小、低温区域折流板间距大的布置方式，从而在压降变化不大的情况下提高换热系数。

3.4 当换热器热流体进出口两侧温差较大时，将冷流体出口布置在高温侧，能有效提高冷流体的出口温度和换热系数。

参 考 文 献

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（收稿日期：2023-06-25，修回日期：2024-05-15）