曲面弓形折流板换热器壳程压力降的数值模拟

 1　引言     管壳式换热器是过程工业中应用较广的一种换 热设备,该换热器结构简单、运行可靠,且有成熟的 设计标准和规范。不过传统的管壳式换热器大多采 用弓形折流板,这种折流板所引起的压力损失较大, 同时,由于流动死区的存在,使得换热器整体传热效 率降低[1]。     目前,对换热器进行壳程强化传热的方式主要 有[2]: (1)改变管子外形或在管处加翅片,如采用螺 纹管、外翅片管等; (2)改变壳程挡板或管束支撑结 构,使壳程流体形态发生变化,以减少或消除壳程流 动与传热的滞留死区,使换热面积得到充分利用,如 采用螺旋折流板、空心环等。在研究方面,文献[3 ~6]用数值模拟的方法对管壳式换热器壳程流场 的特性进行了研究;文献[7~9]则对波纹管的传热 强化效果及波纹管的等效刚度进行了数值模拟和试 验研究,并开发出了新型的波纹管换热器。     针对文献[7 ~9]中提出的一种新型换热 器———曲面弓形折流板换热器,用数值模拟其壳程 流场,计算壳程压力降,并与传统换热器进行了比 较。     2　有限元模型建立及求解     2. 1　几何模型及尺寸     曲面弓形折流板换热器是专利技术[10],其结构 如图1所示,它巧妙地利用流场特性,采用曲面状弓 形折流板(凸面面向来流方向),使被导流后的壳程 流体流线趋于光滑,且和两曲面状弓形折流板之间 的流道一致,明显改善了壳程流体流速分布。                                           图 1　曲面弓形折流板换热器示意     文中所分析的曲面弓形折流板换热器参数见表 1,管子在管板上以正三角形排列,如图2所示。                        2. 2　GAMBIT建模[11, 12](Fluent自带的建模工具)     文中只研究壳程流域,以水为介质,并假设折流板与换热管及换热器筒壁无间隙。根据表1的几何 参数,应用Fluent软件中的GAMBIT建立曲面弓形 折流板换热器和普通弓形折流板换热器的几何模型 并划分网格,由于模型网格数比较多,所以将模型从 中间沿垂直于换热管壁方向切分成两部分。采用四 面体和金字塔形网格,划分网格间距为4 mm,网格 数在1. 8×106~2×106之间。                       设置进口边界类型为Velocity inlet(速度入 口),出口边界类型为Pressure outlet(压力出口),壳 体壁面为不可渗透、无滑移绝热边界Wall。求解的 条件采用Segregated(非耦合求解法)、Implicit(隐式 算法)、3D(三维空间)、Steady(定常流动)、Absolute (速度)。     文中分析所设置的初始流体入口边界条件见表 2。湍流强度I定义为相对于平均速度uavg的脉动速 度u′的比值,采用经验式进行计算:                    3　模拟结果及分析     和普通弓形折流板换热器相比,曲面弓形折流 板换热器的壳程流体流线更为光滑,由此引起的壳 程压力降的变化是本文研究的重点。同时,为了考 察几何参数的影响,文中研究了曲面折流板曲率半 径分别为0. 75D,1D,1.5D和2D(D为筒径,下同) 等4种情形。图3是缺口高度为20%D时,在不同 流量下各种折流板形式所对应的进出口压力降。从图3可以看出,在缺口高度一定的情况下,传统弓形 换热器的进出口压力降高于曲面弓形换热器,同时, 曲面弓形换热器进出口压力降随着折流板曲率半径的减小而减小。                       考虑到折流板缺口高度不同对壳程压力降的影 响,文中模拟了折流板缺口高度分别为27%D, 20%D和15%D3种尺寸的折流板结构。取曲率半 径为0.75D的曲面折流板和普通折流板为研究对 象进行比较,观察压降减小百分比(如图4所示,其 中ΔPV和ΔPC分别代表传统弓形折流板和曲面弓 形折流板换热器进出口间压力差)。可以看出,每 种圆缺尺寸在不同流量下压降减小的百分比基本一 致,平均分别为8. 73%, 14. 74%和18. 31%,其中以 缺口高度为15%D的曲面弓形折流板效果。                      考虑到折流板间距不同可能导致压力降的变 化,文中模拟了折流板间距从100~275 mm共8种 不同情况(每次递增25 mm),且每种情况分别在9 种不同流量(见表2)下进行模拟,并与普通弓形换 热器进行比较,得出进出口压力差,并计算曲面折流 板压力降减小的百分比,结果如图5所示,其中折流板曲率半径为0. 75D,圆缺高度为15%D。从图中 可以看出,压降百分比变化范围在16. 8% ~18. 8% 之间,基本保持一致,说明折流板间距的变化对换热 器进出口压降的影响相对较小。                      需要指出的是,前面所述的压力降指的是分析 模型的进出口间压力降,包含了进出口管路及进出 口处的压力损失,若排除这些损失,只计算单纯的折 流板损失,那么曲面折流板压力损失减小的幅度会 更大。     为了更好地了解流体流动状态,文中对不同位 置流场进行了观测(流量均为7 m3/h,圆缺高度为 15%D,折流板间距为225 mm,曲面折流板曲率半 径为0. 75D)。图6所示为换热器第3, 4块折流板 之间沿换热器轴线(如图1中C, D两点连线)的速 度分布图。从图中可以看出,流速随远离第3块折 流板距离的增大而逐渐增大。同时可以看出,在与 第3块折流板相距小于170 mm各处传统弓形换热 器速度很小,几乎为零;而曲面折流板速度变化连 续、均匀。说明曲面换热器在折流板背侧靠近中心 位置处流动死区相对较小,这将对提高换热效率有 一定帮助。                    图7所示为换热器第2, 3块折流板斜截面中线 处(如图1中沿A, B方向,B点处速度高)速度分 布。可以看出,流体在A点附近速度较小,且在A 处达到小;越接近B点(折流板缺口处)流速越 大。曲面换热器在靠近第2块折流板处流速较传统 换热器的大,说明曲面换热器在折流板与壳体连接 处附近死区较小。                       4　结语     采用CFD技术,针对曲面弓形折流板换热器的壳程流场进行了数值模拟,并就压力降问题与普通弓形换热器进行了对比分析。结果表明曲面弓形折流板换热器的压力降明显小于传统弓形折流板换热器,从而验证了本文提出的曲面弓形折流板换热器在减小压降方面所体现出的优越性。