錐紋管異徑孔折流板換熱器試驗(yàn)與模擬研究

吳志偉，錢才富,劉 鋼，周金秀，劉 鵬

(1.北京化工大學(xué)，北京 100029;2.山東美陵化工設(shè)備股份有限公司，山東淄博 255430)

0 引言

管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于能源、化學(xué)工程和發(fā)電等領(lǐng)域[1-5]。隨著能源供應(yīng)日益緊張，如何提高管殼式換熱器的換熱效果成為熱點(diǎn)問(wèn)題,典型做法是在管殼式換熱器的管程和殼程采取措施來(lái)強(qiáng)化傳熱。對(duì)于管側(cè)，一般來(lái)說(shuō)，普通管由高效換熱管來(lái)代替，如波紋管[6]、縮放管[7]、螺旋槽管[8]等。錢才富[9]基于波紋管提出了一種新型的換熱管——錐紋管。楊秀杰等[10]通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)比研究了錐紋管與波紋管的流動(dòng)與傳熱性能，結(jié)果表明，在研究范圍內(nèi)，錐紋管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)比波紋管增加了5%～20%，壓力降比波紋管降低4.6%～20%。對(duì)于殼側(cè)，管束支撐結(jié)構(gòu)直接影響著殼程流體的流動(dòng)狀態(tài)。在傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器中，殼程流體在弓形折流板的引導(dǎo)下垂直于管束橫向流動(dòng)，增強(qiáng)了湍動(dòng)程度，提高了傳熱效率，但在折流板附近區(qū)域形成了“傳熱死區(qū)”，同時(shí)由于流體橫向沖刷管束，激發(fā)流體誘導(dǎo)振動(dòng)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者為改善這種不理想的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)管束支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究。美國(guó)Philips石油公司在20世紀(jì)70年代首次提出新型的管束支撐——折流桿支撐[11-12]，與傳統(tǒng)的橫流管殼式換熱器相比，殼側(cè)流體由垂直于管束的Z形流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠毓苁较蚩v向流動(dòng)，有效地克服了換熱器中的流體誘導(dǎo)振動(dòng)、消除了傳熱死區(qū)。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)新型管束支撐進(jìn)行開(kāi)發(fā)與研究[13]。目前出現(xiàn)的新型折流板主要有螺旋折流板[14]、曲面弓形折流板[15-16]、三葉孔板[17]、梅花孔板[18]、網(wǎng)狀孔板[19]等。

異徑孔折流板是由錢才富等[20]提出的一種新型管束支撐結(jié)構(gòu)，此折流板上分布有大孔和小孔，小孔直徑與管徑相近，起支撐管束作用，殼程流體從大孔與換熱管的環(huán)形流道中流過(guò)，殼程流體不斷地收縮和噴射，形成貼壁射流效應(yīng)。和傳統(tǒng)折流板換熱器中殼程流體橫向流動(dòng)不同，異徑孔折流板換熱器殼程流體為縱流，顯著降低了管束振動(dòng)，消除了“傳熱死區(qū)”。劉久逸[21]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了異徑孔換熱器的流動(dòng)與傳熱性能，并從流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同程度的角度揭示了強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。

為在降低管束振動(dòng)的同時(shí)，提高傳熱效率，本文將異徑孔折流板與錐紋管結(jié)合，開(kāi)發(fā)一種新型的換熱器——錐紋管異徑孔折流板換熱器，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試在以水和油為介質(zhì)下的總傳熱系數(shù)及管、殼程壓力降，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。另外，本文還對(duì)錐紋管異徑孔折流板換熱器管殼程流體流動(dòng)與傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探討流場(chǎng)分布及傳熱強(qiáng)化機(jī)理。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 換熱器結(jié)構(gòu)

為進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)試樣包括錐紋管異徑孔折流板換熱器和傳統(tǒng)折流板換熱器。試驗(yàn)時(shí)換熱器外殼體不變，通過(guò)更換管束芯體即可完成兩種換熱器試驗(yàn)。圖1～3為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)換熱器及管束芯體照片。換熱器為雙管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑為300 mm,搭配有導(dǎo)流筒、浮頭式管箱、12塊折流板及可拆卸的管板。兩種換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 直管管束芯體

圖3 錐紋管管束芯體

表1 傳統(tǒng)弓形折流板換熱器和錐紋管異徑孔折流板換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.2 錐紋管及異徑孔折流板結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)用錐紋管見(jiàn)圖4，由直管滾壓成型。其基管外徑25 mm，厚度2.5 mm，波峰處圓弧半徑6 mm，波谷處圓弧半徑5 mm，內(nèi)表面波谷處直徑15 mm，內(nèi)表面波峰處直徑20 mm，波距20 mm。換熱管為轉(zhuǎn)角正方形排列，折流板有兩種形式，分別為普通弓形折流板和異徑孔折流板(見(jiàn)圖5)。

圖4 錐紋管結(jié)構(gòu)示意

圖5 折流板結(jié)構(gòu)示意

1.1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

本次換熱器流動(dòng)與傳熱性能測(cè)試在合肥通用機(jī)械研究院有限公司完成，試驗(yàn)流程如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)流程

熱水箱的熱水/油通過(guò)電加熱器加熱至目標(biāo)溫度且恒定后，經(jīng)泵輸送到換熱器樣機(jī)的殼程入口，冷水箱的冷水同樣經(jīng)升溫至目標(biāo)溫度后輸送到換熱器管程入口，冷、熱流體在換熱器樣機(jī)內(nèi)部進(jìn)行折流換熱。冷側(cè)流體被加熱，熱側(cè)流體被冷卻。冷水經(jīng)換熱器加熱后，被送至冷卻塔降溫，再送至冷水箱；熱流體被冷卻后進(jìn)入熱水箱。另外，可調(diào)節(jié)冷、熱流體出口端的調(diào)節(jié)閥，使出口流體與進(jìn)口流體進(jìn)行混合，目的是將流體加熱或冷卻至目標(biāo)溫度后輸送到管、殼程入口。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

(1)殼程走熱流體，管程走冷流體。試驗(yàn)開(kāi)始前，檢查管線和儀表，保證試驗(yàn)的安全性和可靠性。

(2)打開(kāi)水泵和閥門開(kāi)度，以及冷熱水循環(huán)系統(tǒng)，保持1 h，待溫度恒定之后開(kāi)始試驗(yàn)。

(3)首先設(shè)定殼程流量45 m3/h，管程進(jìn)口溫度為30 ℃，殼程進(jìn)口溫度為70 ℃，調(diào)整管程流量，分別設(shè)為1.80,4.02,6.11,8.34,10.38,12.69,14.75,16.93,19.15,21.18,23.33,26.25 m3/h。每一個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行5 min，進(jìn)行4次等時(shí)間間隔數(shù)據(jù)采集，取平均值作為本次試驗(yàn)的測(cè)定值。

(4)其次設(shè)定管程流量26.26 m3/h，管程進(jìn)口溫度為30 ℃，殼程進(jìn)口溫度為70 ℃，調(diào)整殼程流量，分別設(shè)為0.26,0.86,1.47,2.09,2.69,3.32,3.94,4.52,5.16,5.77,6.37 m3/h。此范圍內(nèi)，殼程的雷諾數(shù)Re變化為3 000～60 000。每一個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行5 min，進(jìn)行4次等時(shí)間間隔數(shù)據(jù)采集,取平均值作為本次試驗(yàn)的測(cè)定值。

(5)殼程介質(zhì)為32#液壓油，步驟同上。首先設(shè)定殼程入口流量為36 m3/h，調(diào)整管程入口流量，分別為1.80,4.02,6.11,8.34,10.38,12.69,14.75,16.93,19.15,21.18,23.33,26.25 m3/h；其次設(shè)定管程入口流量為26.26 m3/h，調(diào)整殼程入口流量，分別為18.15,19.60,21.70,23.64,25.40,27.12,28.60,30.20,32.70,34.12,36.25 m3/h。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

總傳熱系數(shù):

(1)

式中,K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Q為總換熱量，取冷熱介質(zhì)熱流量的算術(shù)平均值，kW;A為換熱面積，m2;Δtm為對(duì)數(shù)平均傳熱溫差，℃。

(2)

式中,th1，th2為熱流體進(jìn)、出口溫度，℃；tc1，tc2為冷流體進(jìn)、出口溫度，℃。

本次試驗(yàn)換熱器為雙管程，管程流體在換熱器內(nèi)部作來(lái)回折流，其平均傳熱溫差需乘以溫差校正系數(shù)[1]。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 總傳熱系數(shù)

錐紋管異徑孔折流板換熱器和傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的總傳熱系數(shù)K隨管程入口流量和殼程入口流量的關(guān)系如圖7～10所示。

圖7 殼程入口流量恒定45 m3/h，總傳熱系數(shù)與管程入口流量的關(guān)系曲線(殼程介質(zhì)為水)

圖8 管程入口流量恒定26.26 m3/h，總傳熱系數(shù)與 殼程入口流量的關(guān)系曲線(殼程介質(zhì)為水)

圖9 殼程入口流量恒定36 m3/h，總傳熱系數(shù)與 管程入口流量的關(guān)系曲線(殼程介質(zhì)為32#液壓油)

圖10 管程入口流量恒定26.26 m3/h，總傳熱系數(shù)與 殼程入口流量的關(guān)系(殼程介質(zhì)為32#液壓油)

(1)管、殼程介質(zhì)均為水。

由圖7，8中可以看出，當(dāng)殼程流量恒為45 m3/h 而改變管程流量時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的總傳熱系數(shù)與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，提高30%～66%；當(dāng)管程流量恒為26.26 m3/h而改變殼程流量時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器提升9%～18%。

(2)管程介質(zhì)為水，殼程介質(zhì)為32#液壓油。

由圖9，10中可以看出，當(dāng)殼程流量恒為36 m3/h而改變管程流量時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器提升8%～19%；當(dāng)管程流量恒為26.26 m3/h而改變殼程流量時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器提升4%～9%。

1.3.2 管、殼程壓力降

錐紋管異徑孔折流板換熱器和傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的管、殼程壓力降隨管程入口流量和殼程入口流量的關(guān)系如圖11～14所示。

圖11 殼程入口流量恒定45 m3/h，管程壓力降與 管程入口流量的關(guān)系曲線(殼程介質(zhì)為水)

(1)管、殼程介質(zhì)均為水。

由圖11，12可以看出，當(dāng)殼程流量恒為45 m3/h 而改變管程流量時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的管程壓力降與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，增加了12%～85%；當(dāng)管程流量恒為26.26 m3/h 而改變殼程流量時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的殼程壓力降比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器降低了10%左右。

圖12 管程入口流量恒定26.26 m3/h，殼程壓力降與 殼程入口流量的關(guān)系曲線(殼程介質(zhì)為水)

圖13 殼程入口流量恒定36 m3/h，管程壓力降與 管程入口流量的關(guān)系曲線(殼程介質(zhì)為32#液壓油)

(2)管程介質(zhì)為水，殼程介質(zhì)為32#液壓油。

由圖13，14可以看出，當(dāng)殼程流量恒為36 m3/h 而改變管程流量時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的管程壓力降比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器增加了32%～78%；當(dāng)管程流量恒為26.26 m3/h而改變殼程流量時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的殼程壓力降基本相同。

1.3.3 單位壓降下的總傳熱系數(shù)

圖15示出殼程介質(zhì)為水和32#液壓油時(shí)，單位殼程壓降下總傳熱系數(shù)和殼程入口流量的關(guān)系。

(a)殼程介質(zhì)為水 (b)殼程介質(zhì)為32#液壓油

由圖15(a)可以看出，當(dāng)管程流量恒為26.26 m3/h 且殼程流量高于14.78 m3/h時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器在單位壓降下的總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器提高了4.7%～30%。由圖15(b)可以看出，錐紋管異徑孔折流板換熱器在單位殼程壓降下的總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器增加了1.6%～10%。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型和網(wǎng)格模型

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，錐紋管異徑孔換熱器具有良好的傳熱性能。為了揭示其內(nèi)在機(jī)理，對(duì)換熱器中的流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，換熱器的幾何模型和網(wǎng)格模型分別如圖16，17所示。網(wǎng)格生成采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在邊界處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，隨著網(wǎng)格的加密，總傳熱系數(shù)和殼程壓力降趨于穩(wěn)定，相對(duì)誤差小于3%，可認(rèn)為獲得了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性解。數(shù)值模擬以水為介質(zhì)，不考慮物性隨溫度的變化，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

圖16 錐紋管異徑孔換熱器三維幾何模型

圖17 錐紋管異徑孔換熱器網(wǎng)格模型

表3 水的物性參數(shù)

2.2 邊界條件及模型驗(yàn)證

采用雙精度和基于壓力的求解器,壓力和速度采用SIMPLEC算法耦合。除壓力項(xiàng)外，所有變量均采用二階迎風(fēng)格式處理。湍流模型選用Realizable 模型。收斂準(zhǔn)則為能量殘差曲線到達(dá)10-6，其余的變量為10-4。管、殼程均采用速度入口和壓力出口;殼程入口設(shè)為70 ℃，管程入口設(shè)為30 ℃。

為了驗(yàn)證數(shù)值研究，將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖18所示?？倐鳠嵯禂?shù)和殼程總壓降的最大偏差分別為7.06%和10.7%，表明數(shù)值模擬與試驗(yàn)吻合較好。

(a) (b)

2.3 結(jié)果和討論

2.3.1 管程對(duì)比分析

對(duì)流換熱性能不僅取決于速度場(chǎng)和熱流場(chǎng),還取決于它們之間的夾角。學(xué)術(shù)上常用協(xié)同角大小來(lái)反映換熱強(qiáng)度，協(xié)同角指的是流場(chǎng)速率矢量和溫度梯度的夾角，按公式(3)并經(jīng)絕對(duì)值處理后，其值范圍在0～90°[22]。協(xié)同角越小，換熱強(qiáng)度越高。

(3)

圖19為換熱管管內(nèi)的協(xié)同角分布云圖，管內(nèi)流體流動(dòng)方向?yàn)閺挠业阶?。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與直管相比，錐紋管在擴(kuò)張段邊界處，存在一協(xié)同角較小區(qū)域，有利于壁面?zhèn)鳠帷Ｍ瑫r(shí)，錐紋管和直管在該區(qū)域的平均值分別為81.65°和87.83°，這表明了由于壁面錐紋的存在，提高了管內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同程度。同時(shí)，錐紋管管壁處流體擾動(dòng)增加，加強(qiáng)了流體的局部湍流程度，有利于強(qiáng)化傳熱。

圖19 管程協(xié)同角分布云圖

2.3.2 殼程對(duì)比分析

從圖20中可以看出，傳統(tǒng)弓形折流板換熱器殼程流體在折流板的引導(dǎo)下呈Z形流動(dòng)。當(dāng)流體經(jīng)過(guò)狹窄的折流板缺口時(shí)，流體開(kāi)始加速流動(dòng)。在折流板迎風(fēng)側(cè)速度較大，在折流板背風(fēng)側(cè)速度較小，幾乎停滯，形成流動(dòng)死區(qū)，縱深約占板間距的一半。在錐紋管異徑孔折流板換熱器中，殼程流體一部分從折流板缺口處流過(guò)，此時(shí)高速流體主要集中在缺口附近，分布面積較??；另一部分流體從大孔與換熱管之間的環(huán)形流道通過(guò)(見(jiàn)圖21)，產(chǎn)生射流效應(yīng)，有利于強(qiáng)化傳熱。

(a)錐紋管異徑孔折流板換熱器

(b)傳統(tǒng)弓形折流板換熱器

圖22示出兩種換熱器在縱截面上的協(xié)同角分布云圖?？梢钥闯?，與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，錐紋管異徑孔折流板換熱器的協(xié)同角在折流板的迎風(fēng)面上分布均勻，有利于傳熱，但是由于孔板的分流作用，殼程流體兼具橫向流和縱向流，流體速度降低，不利于傳熱，但若綜合考慮傳熱系數(shù)和壓力降，錐紋管異徑孔折流板換熱器更具優(yōu)勢(shì)。

圖21 異徑孔折流板環(huán)形流道矢量云圖

(a)錐紋管異徑孔折流板換熱器

(b)傳統(tǒng)弓形折流板換熱器

3 結(jié)論

本文以水和油為介質(zhì)，對(duì)錐紋管異徑孔折流板換熱器和傳統(tǒng)弓形折流板換熱器進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值研究，得出如下結(jié)論。

(1)在本文研究范圍內(nèi)，當(dāng)管、殼程以水為介質(zhì)時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)弓形折流板換熱器增加了10%～66%。當(dāng)管程以水，殼程以油為介質(zhì)時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的總傳熱系數(shù)比弓形折流板換熱器增加4%～20%。

(2)在研究范圍內(nèi)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的管程壓力降明顯高于弓形折流板換熱器的管程壓力降，增幅約為12%～85%。

(3)對(duì)于本文的換熱器結(jié)構(gòu)，當(dāng)殼程以水為介質(zhì)時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器的殼程壓降略低于弓形折流板換熱器。當(dāng)殼程以油為介質(zhì)時(shí)，兩種換熱器殼程壓力降差別不大。

(4)和直管相比，錐紋管管內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的協(xié)同角較小，表明由于壁面錐紋的存在，提高了管內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同程度。同時(shí)，錐紋管異徑孔折流板換熱器殼程協(xié)同角在折流板的迎風(fēng)面上分布均勻，有利于傳熱。

(5)本文研究表明，錐紋管和異徑孔折流板的結(jié)合能提高換熱器的傳熱性能，再考慮到異徑孔折流板換熱器能明顯降低管束振動(dòng)，所以錐紋管異徑孔折流板換熱器有著較好的工程應(yīng)用前景。