折流板切口方向?qū)軞な綋Q熱器傳熱性能影響

?夏昭知 鄭珺文 鄭茂強(qiáng)

摘要：當(dāng)折流板應(yīng)用至管殼式傳熱器中時(shí)，所發(fā)揮的最突出作用就是改變管殼內(nèi)部液體的流動(dòng)方向，讓流體流速提高，流動(dòng)效率上升。在一個(gè)管殼式交換器中要使用多少數(shù)目的折流板，一般是根據(jù)管殼內(nèi)流體的性質(zhì)和流量確定的，將折流板鋪設(shè)安裝在流體的“必經(jīng)之路”上，既可以極大程度增強(qiáng)換熱器的傳熱效果，還能夠讓管束更為牢穩(wěn)。本文首先簡(jiǎn)要介紹了幾種常用的折流板型式，然后引入了管殼式換熱器的相關(guān)知識(shí)，最后通過(guò)建立三種不同的擋板實(shí)體模型并利用CFD軟件，得出了一些有關(guān)管殼式換熱器傳熱性能的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：折流板;管殼式換熱器;傳熱系數(shù);傳熱效能

0引言

管殼式換熱器的傳熱性能的影響因素很多，比如擋板之間的間距、擋板的開啟頻率等等。長(zhǎng)期以來(lái)這個(gè)問(wèn)題也一直受到國(guó)內(nèi)外很多專業(yè)學(xué)者的關(guān)注，很多人就該問(wèn)題也展開過(guò)大量實(shí)驗(yàn)。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)擋板以垂直切割方向放置，管殼式換熱器的傳熱性能能夠達(dá)到最佳。

1.??? 兩種常見的折流板型式

管殼式換熱器中折流板的工作原理是：使用折流板對(duì)殼程內(nèi)的空間進(jìn)行合理分離，將殼內(nèi)空間劃分為不同的小單元，這樣流體在殼程內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)時(shí)就會(huì)受到很多阻礙，流體和殼壁之間也會(huì)發(fā)生很多摩擦碰撞，湍流程度就會(huì)隨之上升，最終傳熱器的傳熱系數(shù)也就能夠上升，在不同的換熱器中我們要謹(jǐn)慎選擇不同樣式的合適折流板，近年來(lái)實(shí)際應(yīng)用時(shí)比較常見常用的折流板型式主要為單弓形折流板和雙弓形折流板，其中，單弓形折流板的優(yōu)越性在于：傳熱膜的系數(shù)比較高，但是與此同時(shí)，它也使得殼內(nèi)壓降較大。而雙弓形折流板則與之相反，一般該種折流板傳熱膜系數(shù)不算很高，但是與單弓形折流板相比其壓降能夠大幅減小。

2.??? 管殼式換熱器的相關(guān)知識(shí)背景

管殼式換熱器，又被稱為列管式換熱器，呈封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部壁面是主要的傳熱面，換熱器內(nèi)包含著很多或大或小的零部件，包括殼體、傳熱管、折流板等。該種換熱器結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，而且成本比較低廉，能夠良好適應(yīng)高溫、高壓等各種惡劣環(huán)境，適用范圍極廣，所以性價(jià)比高。

3.??? 模擬探究

3.1. 初步確定模型數(shù)值

為了使研究結(jié)果更具可控性，同時(shí)也照顧研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，在此我們將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，在探究過(guò)程中，暫時(shí)不考慮管孔和管板之間的間距的影響，不考慮內(nèi)導(dǎo)管和旁路擋板結(jié)構(gòu)的影響。另外在進(jìn)行模型確定時(shí)還要做出以下假設(shè)：第一，流體在模擬過(guò)程中狀態(tài)始終保持穩(wěn)定，流動(dòng)過(guò)程和傳熱過(guò)程都保持平穩(wěn)。第二，流體的密度、比熱容以及粘性都不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾。第三，圓通外壁與外界環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生任何的熱量交換。第四，所選用的流體為牛頓流體，不能夠?qū)ζ渥鞒鰤嚎s處理。

探究過(guò)程中，我們將圓筒直徑的尺寸設(shè)計(jì)為15厘米，流體傳送導(dǎo)管的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為50厘米，采用正方形的管道，方管管徑設(shè)計(jì)為1.9厘米，方管之間間隔2.5厘米，擋板之間間隔10厘米，擋板厚度定為0.3厘米，長(zhǎng)度10厘米。折流板數(shù)目選擇為5 塊和7 塊，間距確定為13.3厘米和10厘米。

3.2. 殼內(nèi)結(jié)構(gòu)劃分

殼內(nèi)結(jié)構(gòu)劃分要以所選擇的換熱器型號(hào)為依據(jù)，主要采用分塊網(wǎng)格劃分，熱交換器劃分比較固定，可以將固定管板劃分為一個(gè)區(qū)域，剩余的擋板劃分在另一大區(qū)域。在換熱管壁附近還要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，這樣才能夠提高計(jì)算的精度，最大程度降低誤差和后期分析難度。另外，使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)也是很好的的劃分方式，比如出入口的噴嘴結(jié)構(gòu)處就可以劃分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，除此以外的其他區(qū)域都可以確定為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

4.??? 確定其他條件

首先殼體內(nèi)的流體介質(zhì)我們確定為水，通過(guò)溫度的線性插值的變化情況，來(lái)對(duì)介電的性質(zhì)作出反饋。模型內(nèi)的的初始環(huán)境溫度設(shè)計(jì)為283k，進(jìn)口率也要合理控制，必須維持在一萬(wàn)至七萬(wàn)的雷諾數(shù)內(nèi)。管壁溫度控制在323k左右，在進(jìn)出口處、擋板處還要進(jìn)行絕熱處理。通過(guò)分別對(duì)間距不同、圓缺高度不同的各種折流板進(jìn)行數(shù)值模擬，可以看出流體的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)情況。本次試驗(yàn)的全程流體都要保持一個(gè)湍流狀態(tài)。在進(jìn)行模型的剩余精度確定時(shí)，我們可以利用試錯(cuò)法。

5.??? 模型的檢驗(yàn)工作

我們?cè)谀Ｐ蜋z驗(yàn)時(shí)經(jīng)常利用Bell-Delaware法，即貝爾- 臺(tái)華詳細(xì)設(shè)計(jì)法，管殼式交換器的相關(guān)性能和參數(shù)僅對(duì)臥式擋板比較適用。在這種情況下，我們就要根據(jù)模型對(duì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，看看是否有較大出入和偏差，以確定模擬的精度如何，選定的模擬方法是否科學(xué)正確合理。通過(guò)計(jì)算得出，傳熱系數(shù)誤差達(dá)到了大約17%，壓降誤差較大些，約為22%。深究這些誤差的產(chǎn)生原因，主要是數(shù)值計(jì)算時(shí)的使用的數(shù)據(jù)都是理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)探究中不可避免要受到周圍環(huán)境作用。

6.??? 模擬結(jié)果探究

一般我們?cè)趯?duì)換熱器的傳熱性能進(jìn)行分析時(shí)，主要看傳熱系數(shù)和換熱器性能兩大指標(biāo)。首先我們對(duì)湍流模型中的交叉流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行分析，在這一區(qū)域，由于擋板產(chǎn)生了巨大的阻礙作用，所以在擋板上的流體流向也會(huì)出現(xiàn)較大變化。并且與此同時(shí)，在流體周圍還會(huì)隨之產(chǎn)生橫流換熱器束，這樣流體的流動(dòng)速度便會(huì)進(jìn)一步加快，湍流翻涌的程度也會(huì)變得更強(qiáng)烈，流體翻涌并對(duì)換熱管束進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷，反復(fù)進(jìn)行交叉運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的傳熱效應(yīng)也會(huì)變得更強(qiáng)。然后我們要對(duì)另一個(gè)區(qū)域特別作出解釋，那就是所謂的“流動(dòng)死區(qū)”。流動(dòng)死區(qū)處于擋板背面，這一區(qū)域的溫度通常極高，流體流速較低，這樣傳熱效果也較差，這也是擋板結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出弊端。

7.??? 管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

要想對(duì)換熱器性能做出調(diào)整優(yōu)化，提高其換熱效率，主要就是從換熱設(shè)備和傳熱技術(shù)兩個(gè)方面入手，當(dāng)前的換熱器主要發(fā)展的方向是：逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、規(guī)范化、大型化，內(nèi)部設(shè)備結(jié)構(gòu)也越來(lái)越趨向緊湊密集。從狹義上分析，提高換熱器性能其實(shí)就是指提高傳熱性能，提高傳熱性能又主要可以從以下兩個(gè)角度入手：第一，削弱溫度邊緣層厚度。第二，改變傳熱面附近的流體。這兩種方法所引入的結(jié)構(gòu)是不同的，第一種方法主要使用間斷翅片結(jié)構(gòu)，第二種方法主要使用泡核沸騰來(lái)進(jìn)行熱量傳導(dǎo)。

從本文所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，要想提高傳熱效能，還可以采用適當(dāng)減小折流板之間的間距的方式，或者減小折流板的圓缺高度，這樣便能夠在一定程度上調(diào)高換熱器的傳熱系數(shù)，相應(yīng)的傳熱性能就可以變強(qiáng)。

8.??? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，得出以下幾個(gè)結(jié)論：第一，在三種實(shí)體模型中，管殼式換熱器的熱傳遞系數(shù)與殼體入口速度成正比，系數(shù)隨殼體入口速度上升而上升。第二，對(duì)于三種不同擋板的實(shí)體模型，如果外殼速度加大，擋板角度為45度，那么此時(shí)管殼式換熱器擋板的壓降就能夠控制到最低，垂直切割管殼換熱器內(nèi)的壓力也控制到最小。第三，如果使用α/δ作為最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，那么最終觀察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，板式換熱器擋板的性能明顯最為優(yōu)良，使用效果最佳。

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