折流板切口方向对管壳式换热器传热性能影响

?夏昭知 郑珺文 郑茂强

摘要：当折流板应用至管壳式传热器中时，所发挥的最突出作用就是改变管壳内部液体的流动方向，让流体流速提高，流动效率上升。在一个管壳式交换器中要使用多少数目的折流板，一般是根据管壳内流体的性质和流量确定的，将折流板铺设安装在流体的“必经之路”上，既可以极大程度增强换热器的传热效果，还能够让管束更为牢稳。本文首先简要介绍了几种常用的折流板型式，然后引入了管壳式换热器的相关知识，最后通过建立三种不同的挡板实体模型并利用CFD软件，得出了一些有关管壳式换热器传热性能的结论。

关键词：折流板;管壳式换热器;传热系数;传热效能

0引言

管壳式换热器的传热性能的影响因素很多，比如挡板之间的间距、挡板的开启频率等等。长期以来这个问题也一直受到国内外很多专业学者的关注，很多人就该问题也展开过大量实验。本文的实验结果显示：当挡板以垂直切割方向放置，管壳式换热器的传热性能能够达到最佳。

1.    两种常见的折流板型式

管壳式换热器中折流板的工作原理是：使用折流板对壳程内的空间进行合理分离，将壳内空间划分为不同的小单元，这样流体在壳程内进行流动时就会受到很多阻碍，流体和壳壁之间也会发生很多摩擦碰撞，湍流程度就会随之上升，最终传热器的传热系数也就能够上升，在不同的换热器中我们要谨慎选择不同样式的合适折流板，近年来实际应用时比较常见常用的折流板型式主要为单弓形折流板和双弓形折流板，其中，单弓形折流板的优越性在于：传热膜的系数比较高，但是与此同时，它也使得壳内压降较大。而双弓形折流板则与之相反，一般该种折流板传热膜系数不算很高，但是与单弓形折流板相比其压降能够大幅减小。

2.    管壳式换热器的相关知识背景

管壳式换热器，又被称为列管式换热器，呈封闭式结构，内部壁面是主要的传热面，换热器内包含着很多或大或小的零部件，包括壳体、传热管、折流板等。该种换热器结构并不复杂，而且成本比较低廉，能够良好适应高温、高压等各种恶劣环境，适用范围极广，所以性价比高。

3.    模拟探究

3.1. 初步确定模型数值

为了使研究结果更具可控性，同时也照顾研究的严谨性，在此我们将实验模型进行合理的简化，在探究过程中，暂时不考虑管孔和管板之间的间距的影响，不考虑内导管和旁路挡板结构的影响。另外在进行模型确定时还要做出以下假设：第一，流体在模拟过程中状态始终保持稳定，流动过程和传热过程都保持平稳。第二，流体的密度、比热容以及粘性都不会对实验造成干扰。第三，圆通外壁与外界环境不会产生任何的热量交换。第四，所选用的流体为牛顿流体，不能够对其作出压缩处理。

探究过程中，我们将圆筒直径的尺寸设计为15厘米，流体传送导管的长度设计为50厘米，采用正方形的管道，方管管径设计为1.9厘米，方管之间间隔2.5厘米，挡板之间间隔10厘米，挡板厚度定为0.3厘米，长度10厘米。折流板数目选择为5 块和7 块，间距确定为13.3厘米和10厘米。

3.2. 壳内结构划分

壳内结构划分要以所选择的换热器型号为依据，主要采用分块网格划分，热交换器划分比较固定，可以将固定管板划分为一个区域，剩余的挡板划分在另一大区域。在换热管壁附近还要对网格进行加密处理，这样才能够提高计算的精度，最大程度降低误差和后期分析难度。另外，使用网格结构也是很好的的划分方式，比如出入口的喷嘴结构处就可以划分为结构网格，除此以外的其他区域都可以确定为非结构化网格。

4.    确定其他条件

首先壳体内的流体介质我们确定为水，通过温度的线性插值的变化情况，来对介电的性质作出反馈。模型内的的初始环境温度设计为283k，进口率也要合理控制，必须维持在一万至七万的雷诺数内。管壁温度控制在323k左右，在进出口处、挡板处还要进行绝热处理。通过分别对间距不同、圆缺高度不同的各种折流板进行数值模拟，可以看出流体的流场和温度场情况。本次试验的全程流体都要保持一个湍流状态。在进行模型的剩余精度确定时，我们可以利用试错法。

5.    模型的检验工作

我们在模型检验时经常利用Bell-Delaware法，即贝尔- 台华详细设计法，管壳式交换器的相关性能和参数仅对卧式挡板比较适用。在这种情况下，我们就要根据模型对计算结果和实际模拟结果进行对比，看看是否有较大出入和偏差，以确定模拟的精度如何，选定的模拟方法是否科学正确合理。通过计算得出，传热系数误差达到了大约17%，压降误差较大些，约为22%。深究这些误差的产生原因，主要是数值计算时的使用的数据都是理想状态下的数据，而实际实验探究中不可避免要受到周围环境作用。

6.    模拟结果探究

一般我们在对换热器的传热性能进行分析时，主要看传热系数和换热器性能两大指标。首先我们对湍流模型中的交叉流动区域进行分析，在这一区域，由于挡板产生了巨大的阻碍作用，所以在挡板上的流体流向也会出现较大变化。并且与此同时，在流体周围还会随之产生横流换热器束，这样流体的流动速度便会进一步加快，湍流翻涌的程度也会变得更强烈，流体翻涌并对换热管束进行强烈冲刷，反复进行交叉运动，相应的传热效应也会变得更强。然后我们要对另一个区域特别作出解释，那就是所谓的“流动死区”。流动死区处于挡板背面，这一区域的温度通常极高，流体流速较低，这样传热效果也较差，这也是挡板结构的一个突出弊端。

7.    管壳式换热器的优化设计策略

要想对换热器性能做出调整优化，提高其换热效率，主要就是从换热设备和传热技术两个方面入手，当前的换热器主要发展的方向是：逐步走向标准化、专业化、规范化、大型化，内部设备结构也越来越趋向紧凑密集。从狭义上分析，提高换热器性能其实就是指提高传热性能，提高传热性能又主要可以从以下两个角度入手：第一，削弱温度边缘层厚度。第二，改变传热面附近的流体。这两种方法所引入的结构是不同的，第一种方法主要使用间断翅片结构，第二种方法主要使用泡核沸腾来进行热量传导。

从本文所得出的实验结果来看，要想提高传热效能，还可以采用适当减小折流板之间的间距的方式，或者减小折流板的圆缺高度，这样便能够在一定程度上调高换热器的传热系数，相应的传热性能就可以变强。

8.    结束语

通过对实验结果进行分析研究，得出以下几个结论：第一，在三种实体模型中，管壳式换热器的热传递系数与壳体入口速度成正比，系数随壳体入口速度上升而上升。第二，对于三种不同挡板的实体模型，如果外壳速度加大，挡板角度为45度，那么此时管壳式换热器挡板的压降就能够控制到最低，垂直切割管壳换热器内的压力也控制到最小。第三，如果使用α/δ作为最终评价标准，那么最终观察结果可以发现，板式换热器挡板的性能明显最为优良，使用效果最佳。

参考文献：

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