倾斜折流栅式换热器壳程流体流动与传热特性

古新，秦晓柯，王永庆，张大波，刘敏珊



倾斜折流栅式换热器壳程流体流动与传热特性

古新1，秦晓柯1，王永庆1，张大波2，刘敏珊1

（1郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室，河南郑州 450002；2中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州 450001）

针对斜向流换热器壳程流体流动的特点，提出一种倾斜折流栅式换热器。采用CFD软件Fluent对常规斜向流换热器和倾斜折流栅式换热器进行数值研究，分析了折流栅的装配方式和倾斜角度对倾斜折流栅式换热器壳侧流体流动和传热性能的影响。结果表明：与常规斜向流换热器相比，栅片同向装配时，倾斜折流栅式换热器壳程传热系数和综合性能分别增加6.18%～6.47%和3.22%～3.59%；栅片同向装配，折流栅倾斜角为70°时，换热器壳程传热系数和综合性能均达到最大，且壳程压降较小。与倾斜角为60°的倾斜折流栅式换热器相比，倾斜角为70°的倾斜折流栅式换热器壳程传热系数和综合性能分别增加2.84%～2.93%和7.07%～7.19%，且壳程压降降低11.26%～11.52%。所得结论为改进斜向流换热器折流栅的结构和强化传热提供理论与工程应用依据。

流动；传热；数值模拟；倾斜折流栅；装配方式；倾斜角度

管壳式换热器因其结构紧凑、维护费用低、换热效率高等优点，广泛应用于石油、化工、机械等领域，因此，研究管壳式换热器的强化传热技术具有重要意义[1-2]。斜向流换热器是一种新型高效节能的管壳式换热器，既解决了横向流换热器死区大、压降高、易结垢等问题，又弥补了纵向流换热器壳程流体扰动程度较弱的不足，综合了横向流和纵向流的各自独特性能，兼备了二者的双重优势，具有较为明显的传热强化和流动减阻性能[3-5]。

本文作者课题组[6]在既往研究中采用周期性模型研究了正方形布管下折流栅结构参数对斜向流换热器壳程传热性能的影响规律，结果表明折流片倾角和折流栅间距对换热器的传热与流阻性能均有显著影响。刘冰[7]对圆孔型和方孔型斜向流换热器的流场和温度场进行了数值研究，对比分析了折流片形状对换热器传热和流阻性能的影响。现有的研究比较系统地分析了折流栅结构参数对斜向流换热器壳程流体流动和换热的影响，但主要集中在折流片倾角、形状及折流栅间距等方面，而未考虑折流栅排布方式的影响。

常规斜向流换热器折流栅垂直排布在壳程，倾斜的折流片虽然能够使流体斜向流动，产生扰动，但是流体斜向流动的时间短，流体斜向冲刷管束的程度较弱，对于流体的扰动效果提升有限，换热效率仍处于较低的水平[8]。

本文通过分析斜向流换热器的强化传热机理，提出一种具有新型管束支撑和扰流结构的换 热器——倾斜折流栅式换热器；其折流栅在壳程呈倾斜排布，由于折流栅倾斜排布，使得折流片沿轴向排开，延长流体斜向流动时间，增加壳程流体斜向冲刷管束的程度，提高流体流动的扰动程度。常规斜向流换热器和倾斜折流栅式换热器换热管束和折流栅装配示意图如图1所示。采用CFD软件Fluent对斜向流换热器进行数值模拟研究，并 考察折流栅装配方式和倾斜角度对倾斜折流栅式换热器壳侧流体流动和传热特性的影响，为斜向流换热器结构改进和性能优化提供了参考依据，为管壳式换热器升级换代提供一种可供选择的结构 型式。

图1 折流栅与换热管装配示意图

1 计算模型与数值方法

1.1 计算模型

斜向流换热器的计算区域模型和主要结构参数分别见图2和表1。常规斜向流换热器折流栅垂直排布在壳程，如图2(a)所示；倾斜折流栅式换热器折流栅在壳程呈倾斜排布，使得折流栅中的折流片沿轴向排开，如图2(b)所示，由于折流片和折流栅同管束轴线均呈一定的倾斜角度，根据折流片与折流栅倾斜方向的不同，折流栅的装配方式有3种类型，分别为栅片同向、栅片反向和栅片对称，如图3所示。本文将折流片与管束轴线的夹角记为，折流栅与管束轴线的夹角记为，两种换热器中折流片与管束轴线的夹角均取45°[3]。对应折流栅的3种装配方式，分别建立角为90°的常规斜向流换热器模型a1和角为70°的倾斜折流栅式换热器模型b1、b2、b3。

图2 斜向流换热器计算区域模型

表1 斜向流换热器主要结构尺寸

1.2 网格划分

建立换热器模型，生成四面体非结构网格。综合考虑计算时间和计算精度，并通过网格独立性验证，最终确定换热器模型为a1、b1、b2、b3的网格数分别为3.43×106、3.64×106、3.44×106、3.43×106，此时换热器壳程传热系数和壳程压降偏差均小于1.5%。取壳程雷诺数为4200m/s，网格独立性验证结果见表2。

图3 倾斜折流栅结构示意图

表2 网格独立性验证

1.3 边界条件及求解设置

取常物性水作为壳程介质。壳程进口设为速度进口，出口设为压力出口；进口温度为20℃，换热管壁为恒壁温85℃；折流栅及壳体壁面均设为绝热。湍流模型采用Standard模型方程，标准壁面函数法；采用SIMPLE法对压力和速度进行耦合；动量和能量离散采用二阶迎风差分格式获取。

1.4 实验验证

为验证数值计算结果的可靠性，对常规斜向流换热器的壳程压降和传热性能进行测试，实验装置如图4所示，包括供料系统、数据采集及处理系统和实验模型3个部分。供料系统主要提供饱和水蒸气和干空气；数据采集及处理系统主要用来进行数据的测量、采集和处理；实验模型为斜向流换热器。换热器壳程通入干空气，管程通入过量饱和水蒸气，管内的水蒸气冷凝所释放的汽化潜热加热壳程空气，进行传热。在与上述实验相同的工况下，对斜向流换热器整体计算模型进行数值计算，实验值与计算值如图5所示，结果表明壳程传热系数最大偏差为18.89%，压降最大偏差为13.64%，偏差在允许的范围内，数值计算的结果是合理可靠的。引起偏差的主要原因一方面是数值模拟过程中简化了模型和边界条件设置，如忽略管板和管箱等部件，折流栅和壳体壁面设为绝热等；另一方面是实验过程中造成的偏差。

图4 实验装置图

2 计算结果分析

2.1 壳程流场分析

壳程雷诺数为6000时，常规斜向流换热器和倾斜折流栅式换热器壳程整体流线分布如图6所示。由图6可知，由于折流片的导流作用，斜向流换热器壳程流体流动呈现出若干连续倾斜的倒V形通道。与常规斜向流换热器相比，倾斜折流栅式换热器壳程折流片沿轴向排开，栅片同向装配时，折流栅上的折流片排布紧凑，增加了壳程流体整体的扰动程度，流体斜向冲刷管束的程度增强；栅片反向装配时，折流栅上原本排布紧凑的折流片分散开，流线变得较为平缓，壳程流体的斜向流动程度降低；栅片对称装配时，由于任意两相邻折流栅上的折流片对称设置，壳程流体的局部流动方向受到影响，流体在壳程流动的范围变大，扰动降低。

图5 实验值与模拟值对比

图6 不同折流栅排布方式的斜向流换热器壳程流线图

2.2 壳程传热系数、压降，综合性能分析

不同折流栅排布方式下换热器壳程传热系数随壳程雷诺数的变化曲线见图7。斜向流换热器壳程传热系数随壳程雷诺数的增加而增加。与常规斜向流换热器相比，壳程雷诺数在4200～7200范围内，栅片同向装配时，倾斜折流栅式换热器壳程传热系数增加6.18%～6.47%；栅片反向装配时，倾斜折流栅式换热器壳程传热系数降低10.95%～11.19%；栅片对称装配时，倾斜折流栅式换热器壳程传热系数降低7.94%～7.97%。

不同折流栅排布方式下换热器壳程压降随壳程雷诺数的变化曲线见图8。由图8可知，斜向流换热器壳程压降随壳程雷诺数的增加而增加。与常规斜向流换热器相比，壳程雷诺数在4200～7200范围内，栅片同向装配时，倾斜折流栅式换热器壳程压降增加8.54%～8.88%；栅片反向装配时，倾斜折流栅式换热器壳程压降降低5.34%～5.41%；栅片对称装配时，倾斜折流栅式换热器壳程压降几乎没有变化。

以/1/3作为评价换热器综合性能的指 标[9-10]。换热器壳程综合性能随壳程雷诺数的变化曲线见图9。由图9可知，斜向流换热器壳程综合性能随壳程雷诺数的增加而增加。与常规斜向流换热器相比，壳程雷诺数在4200～7200范围内，栅片同向装配时，倾斜折流栅式换热器壳程综合性能增加3.22%～3.59%；栅片反向装配时，倾斜折流栅式换热器壳程综合性能降低9.28%～9.55%；栅片对称装配时，倾斜折流栅式换热器壳程综合性能降低7.90%～7.93%。

图7 传热系数随壳程雷诺数的变化

图8 压降随壳程雷诺数的变化

综上，折流栅倾斜排布后，栅片同向装配时，换热器壳程传热系数、压降、综合性能均有所增加；栅片反向装配时，换热器壳程传热系数、压降、综合性能均降低；栅片对称装配时，换热器壳程传热系数和综合性能均有所降低，压降几乎没有变化。

栅片同向装配时，由壳程流线图6(b)可以看出，折流片沿轴向排开，增加壳程流体斜向流动的时间，片与片之间排布的相当紧凑，增强了流体斜向冲刷管束的程度，减薄管束外壁面的边界层，传热热阻减小，换热器传热系数增大；同时片与片之间排布紧凑，流体不断地冲击折流片，产生动能损失，增加壳程流体流动的阻力，壳程压力损失增大；但壳程传热系数增加的幅度大于压降增加的幅度，换热器壳程综合性能增加。因此，通过将倾斜折流栅式换热器中的折流栅与折流片同向装配，可以达到强化换热的目的。

2.3 折流栅倾角对换热器综合性能的影响

通过2.2节的分析可知，栅片同向装配时，倾斜折流栅式换热器较常规斜向流换热器壳程综合性能增加。为进一步优化栅片同向装配时的折流栅结构，保持换热器其他参数不变，改变折流栅的倾斜角度，分别建立角为60°、70°和80°的换热器模型。

栅片同向装配时，不同折流栅倾斜角度下换热器壳程传热系数、压降、综合性能随壳程雷诺数的变化曲线见图10。通过分析可知，当折流栅倾斜角为70°时，换热器壳程传热系数和综合性能均达到最大，且此时壳程压降较小，因此，70°倾斜角为最优倾斜角。与倾斜角为60°的换热器相比，倾斜角为70°的换热器壳程传热系数和综合性能分别增加2.84%～2.93%和7.07%～7.19%，且壳程压降降低11.26%～11.52%。

综上可知，对于倾斜折流栅式换热器，由于折流栅和折流片与管束轴线均有一定的倾斜角度，通过改变折流栅的装配方式和倾斜角度，可以优化折流栅结构，实现强化传热和流动减阻的目的。

3 结论

对常规和新型两种斜向流换热器进行了数值和实验对比研究，并分析了折流栅装配方式和倾斜角度对新型斜向流换热器壳程传热性能的影响。

（1）与常规斜向流换热器相比，栅片同向装配时，倾斜折流栅式换热器壳程传热系数和综合性能分别增加6.18%～6.47%和3.22%～3.59%。

（2）栅片同向装配，折流栅倾斜角度为70°时，换热器壳程传热系数和综合性能均达到最大，且壳程压降较小，因此，70°倾斜角为最优倾斜角。与倾斜角为60°的换热器相比，倾斜角为70°的换热器壳程传热系数和综合性能分别增加2.84%～2.93%和7.07%～7.19%，且壳程压降降低11.26%～11.52%。

图10 壳程传热系数、压降、综合性能随雷诺数的变化

（3）栅片同向装配时，倾斜折流栅式换热器折流片沿轴向排开，流体斜向流动的时间增加，片与片之间排布紧凑，流体的扰动程度增加，强化传热。

（4）通过合理改变斜向流换热器折流栅的装配方式和倾斜角度，优化折流栅结构，可实现强化传热和流动减阻的目的。

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Research on fluid flow and heat transfer characteristics in shell side of inclined shutter baffle heat exchanger

GU Xin1，QIN Xiaoke1，WANG Yongqing1，ZHANG Dabo2，LIU Minshan1

（1Key Laboratory of Process Heat Transfer and Energy Saving of Henan Province，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，Henan，China；2Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC，Zhengzhou 450001，Henan，China）

Based on the fluid flow characteristics of the shell-side of the sideling flow heat exchanger，a sideling flow heat exchanger with inclined shutter baffles was proposed. The numerical study of the conventional and inclined shutter baffles sideling flow heat exchangers was carried out with Fluent，a kind of CFD software，and the impacts of the modes the shutter baffle assembled and inclination angle on the fluid flow and heat transfer of sideling flow heat exchanger with inclined shutter baffles was analyzed. The results showed that the heat transfer coefficient and comprehensive performance of the inclined shutter baffle heat exchangers increase by 6.18%—6.47% and 3.22%—3.59% respectively，compared with the conventional sideling flow heat exchanger when the shutter baffles and strips were assembled concurrently. When the shutter baffles and strips were assembled concurrently，both heat transfer coefficient and comprehensive performance of the inclined shutter baffle heat exchangers with inclination angle of 70° reach the highest value with a relatively low shell side pressure drop. Compared with the heat exchanger with inclination angle of 60°，the heat transfer coefficient and comprehensive performance of the one with inclination angle of 70°increase by 2.84%—2.93% and 7.07%—7.19% respectively，and the shell-sided pressure drop decreases by 11.26%—11.52%. The results provide the theoretical and engineering application bases for the structure improvement and heat transfer enhancement of the sideling flow heat exchanger.

flow；heat transfer；numerical simulation；inclined shutter baffle；assembly mode；inclination angle

TK124

A

1000–6613（2017）10–3584–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0209

2017-02-13；

2017-03-01。

国家自然科学基金（21776263）及河南省高等学校重点科研项目（18A470001）。

古新（1978—），男，博士，副教授，主要从事新型高效节能换热设备的研究。

张大波，工程师，研究方向为过程设备流体流动与强化传热。E-mail：13523543232@126.com。