弓形折流板换热器综合热工水力性能的数值模拟-辽宁化工2022年01期

摘      要：通过Solidworks软件建立弓形折流板换热器三维网格模型，采用ANSYS软件，运用单一评价方式和热增强因子综合评价方式研究折流板数和缺口高度对传热性能的影响。模拟研究结果表明：当折流板数为4、缺口高度为1/4D时，可获得较好的弓形折流板换热器的综合热工水力性能。另外，通过研究折流板数和缺口高度之间的相互关系，可为弓形折流板的结构参数优化提供设计思路。

关  键  词：弓形折流板;管壳式换热器;数值模拟;热增强因子评价

中图分类号：TQ015     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）01-0112-04

在换热器中，由于管壳式换热器存在制造容易、安装方便和拆卸灵活等优点，在所有换热器市场份额占有率约为35%～40%，被广泛应用于石油化工、废能回收和环境工程中^[1-3]。弓形折流板设置在换热器壳程中，一方面用于支撑管束，另一方面可改变管壳式换热器中流体流动方向和状态，从而影响换热器的换热效率。折流板的结构尺寸主要有折流板数目和折流板缺口高度，其取值对于换热器中壳程的流体流动状态和传热特性等有较大的影响^[4]。

本文采用ANSYS软件，选取压降DP和换热系数a作为单一性能评价标准，热增强因子TEF作为综合性能评价标准，对管壳式换热器中弓形折流板数和缺口高度对换热器综合热工水力性能进行研究，并探讨折流板数和缺口高度之间的相互影响关系，为弓形折流板的结构优化提供思路。

1  数值模拟的建立

1.1  几何模型的建立

根据表1所示实验室管壳式换热器的结构参数建立数值模拟物理模型^[5]，采用三维建模软件Solidworks建立如图1所示的换热器壳程流体的物理模型。

1.2  网格划分、模拟设置及边界条件设置

对板间距为100 mm的弓形折流板换热器模型采用多面体网格形式进行网格划分，选择自适应性强的非结构网格，并设置适当的网格单元尺寸，以保证网格整体质量^[6]。根据图2所示的换热系数随网格数量变化关系以及计算机可承受的计算容量，本模拟计算中采用网格数量为300万，确保网格最小正交质量至少达到0.25。

模拟设置：采用分离变量法隐式以保证计算收敛的稳定性;选择Realizable k-ε湍流模型;动量、湍流动能、湍流耗散率均采用二阶迎风格式求解;压力和速度耦合方式为SIMPLE算法;近壁面处理采用标准壁面函数法，残差<10^-3。另外，换热器以水为流动介质，入口处温度设置为293 K，管壁温度335 K，进口速度为2 m·s^-1。

边界条件设6kgVy6uuAOC8eTChQaClzQ==置：壳体筒壁和折流板的流固界面为光滑、无滑移的绝热壁面;入口边界处设定速度入口，出口边界处设定压力出口^[7]。

1.3  评价方式

本文采用压降DP、换热系数a和热增强因子TEF作为换热器综合性能的单一评价标准和综合评价标准^[8-9]。TEF表达式如方程（1）所示。

1.4  数值模拟可靠性验证

对板间距100 mm的弓形折流板换热器分别进行实验和ANSYS数值模拟，获得如表2所示的壳程传热系数a和壳程压降DP数值，可知：传热系数a和压降DP的实验值和模拟值偏差分别为3.67%和4.72%，说明采用ANSYS软件所建立的模型及模拟设置具有可行性且结果具有可靠性^[10]。

2  弓形折流板结构对换热器综合热工水力性能的影响

2.1  折流板数的影响

当折流板缺口高度h为1/4D时，折流板数N对换热器流体流动与传热性能的影响如图3和图4所示。

由图3可见：随着折流板数N的增加，压降DP和换热系数a均呈现增大的趋势，但两者增加趋势有所不同，尤其当折流板数N高于4后，相比于压降DP的变化幅度，换热系数a增幅变得非常平缓。图4中，TEF随折流板数N的增加呈现先增大而后下降的趋势。这主要是因为，当折流板数从2增加到4时，相比于压降DP而言，换热系数a变化较为明显，而TEF表达式中换热系数a和压降DP的指数不同，综合起来，TEF呈现增加的趋势。当折流板N继续增加时，相比于压降DP而言，换热系数a增幅变缓，结合TEF表达式，TEF呈现出下降趋势。由于TEF越大意味着该换热器综合热工水力性能越好，因此，当折流板数为4时，在相同泵功率下，弓形折流板换热器的综合热工水力性能最佳。

2.2  缺口高度的影响

当折流板数N为4时，缺口高度h对换热器流体流动与传热性能的影响如图5和图6所示。

从图5可得：压降DP和换热系数a随折流板缺口高度h的增加均呈现逐渐下降的趋势，这主要是因为：随着缺口高度h的增加，流体的流动通道变宽，流场面积增大，一方面流体在折流板处受到的阻挡变弱，从而引起压降DP降低;另一方面，会引起流体湍动程度降低，从而导致换热系数a的下降。

从图6综合评价标准TEF的评价结果可知：结合压降DP和换热系数a随缺口高度h增加的变化情况，TEF随着缺口高度h的增加呈现先增加后降低的变化趋势。当缺口高度h为1/4D时，TEF达到最大，此时换热器综合热工水力性能最佳。

3  折流板数与缺口高度的优化设计

以折流板数N和折流板缺口高度h为单因素的弓形折流板换热器数值模拟结果表明：折流板数N和缺口高度h对其综合热工水力性能的影响并非单纯的线性关系，意味着折流板数N和缺口高度h之间存在相互影响。为了对两者的综合影响进行研究，本文选取折流板数N分别为2、4、6和8，缺口高度h分别为1/5D，1/4D和1/3D，通过数值模拟方法研究两因素改变对换热器壳程压降DP、换热系数a和TEF的影响。

折流板结构与换热器壳程压降DP之间的关系如图7所示，当折流板数N不变时，随着折流板缺口高度h的增大，壳程流体压降DP逐渐降低;在同一缺口高度h下，壳程压降DP随着折流板数N的增加而增大，其中当折流板数从2增大到4时，压降DP增幅最大。众所周知，壳程压降DP的变化主要是由流体流速发生变化所致，因此，在相同的入口流速下，当折流板数N越大或缺口高度h越小，会引起流体流速发生较大变化，从而导致换热器压降DP增大。在不同的折流板数下，相比于缺口高度h为1/3D的弓形折流板换热器而言，缺口高度h为1/5D和缺口高度为1/4D的弓形折流板换热器的平均压降DP分别增加了21.90%和11.58%。

折流板结构与换热系数a关系如图8所示。当折流板数N一定时，换热系数a随着缺口高度h的增大而降低;当折流板缺口高度h一定时，换热系数a随着折流板数N增加而逐渐增加。究其原因，在固定传热温差下，换热系数a大小主要由流体流动的湍流程度决定，当折流板数N越多或缺口高度h越小，则壳程流体流动空间就越小，从而流体流动的湍流程度也就越大，因此传热系数a也就越大。

在不同折流板数N及缺口高度h下，TEF变化趋势如图9所示。当折流板数N从2增加到4时，TEF骤增;当折流板数N从4增大到8时，TEF总体呈下降趋势，但下降幅度较为缓和。其中，当折流板数N为4且缺口高度h为1/4D时TEF达到最大值，说明在这一换热器结构尺寸下，可获得好的换热器的综合热工水力性能。此外，从图9中还可得出：若要获得好的换热器综合热工水力性能，取折流板数为2或4时，对应的缺口高度h应取1/4D;类似的，当折流板数为6或8时，则对应的缺口高度h应取1/3D。这一结果也说明：对于弓形折流板换热器而言，要想获得较好的换热器综合热工水力性能，其结构尺寸中的折流板数N和缺口高度h之间存在相互优化问题，即：当折流板数N较少时，则折流板缺口高度h应设计为较小值;相反，当折流板数N较多时，则折流板缺口高度h应设计为较大值。

4  结论

本文利用ANSYS软件中的Fluent模块，采用单一评价法和综合评价法，研究实验室管壳式换热器中折流板结构参数对换热器综合热工水力性能的影响，研究结果表明：

1）在单因素影响条件下，采用壳程压降DP和换热系数a作为单一评价标准，随着折流板数N增加，湍流加剧，压降DP增大，换热效果增强;随着缺口高度h增大，湍流程度减小，压降DP减小，换热效果减弱。采用热增强因子TEF作为综合评价标准，随着折流板数N的增加，TEF先急剧增大而后缓慢变小，当折流板数为4时或当缺口高度h为1/4D时，弓形折流板换热器的综合热工水力性能最优。

2）要想获得好的综合热工水力性能，应对弓形折流板换热器的折流板数N和缺口高度h进行优化设计，方可达到压降DP和换热系数a的最佳平衡点，以获得最佳TEF值。

参考文献：

[1]于春柳，任金平，廖武平.换热器折流板间距和换热管排布形式对管板热应力影响分析[J].当代化工，2020，49（11）：2574-2578.

[2]刘营营，仲梁维，孙炎.基于Fluent流场分析在换热器设计中的应用[J].电子科技，2017，30 （05）：52-54.

[3]陶晓宇，莫春萍，王万林，等.折流板对管壳式换热器性能影响的研究综述[J].化工机械，2019，46（02）：112-114.

[4]刘秀峰，张诗，周志杰，等.换热器结构优化与换热性能评价指标研究[J].化工学报，2020，71（S1）：98-105.

[5]王明军.一种管壳式换热器综合性能的优化方法[J].资源信息与工程，2020，35（06）：131-133.

[6]高旭亮，陈忠海，刘忠峰，等.管壳式换热器折流板缺口高度对流场影响的数值模拟[J].河北建筑工程学院学报，2019，37（01）：115-118.

[7]杨敏，张玉祯，贾占斌.管壳式换热器壳侧传热系数的影响因素研究[J].化学工业与工程，2019，36（03）：64-71.

[8]郑平，王嘉迪，陈旭.基于新型换热评价指标的管壳式换热器折流板结构优化[J].江苏大学学报（自然科学版），2018，39（01）：64-70.

[9]刘秀峰，张诗，周志杰，等.换热器结构优化与换热性能评价指标研究[J].化工学报，2020，71（S1）：98-105.

[10] 闫君芝，崔金健，党睿.管壳式换热器传热性能数值模拟[J].化工科技，2019，27 （06）：36-38.

Numerical Simulation of Comprehensive Thermal Hydraulic Performance of Segmental-baffle Heat Exchanger

HU Bao， YU Wen-xiong， ZOU Lin-ling， LIU Hong-jiao， JIN Mei

（School of Chemical and Environmental Engineering， Jianghan University， Wuhan Hubei 430056， China）

Abstract：  The three-dimensional mesh model of the segment baffle heat exchanger was established by SolidWorks software. The influences of the number of baffles and the height of baffle notch on the comprehensive thermal hydraulic performance of the shell side fluid were studied by using ANSYS software with the single evaluation method and the comprehensive evaluation method. The simulation results showed that better comprehensive thermal hydraulic performance of the segment baffle heat exchanger could be obtained when the number of baffles was 4 and the height of baffle notch was 1/4D. Furthermore， the relationship between the number of baffles and the height of baffle notch was investigated in order to provide the design idea for the optimization of the structural parameters of the segment baffle shell and tube heat exchanger.

Key words： Segmental baffle; Shell and tube heat exchanger; Numerical simulation; evaluation of heat enhancement factor