直插式垫条型缠绕管式换热器过程强化

2021-12-28王斯民段旭东文键

化工进展 2021年12期

王斯民，段旭东，文键

（1 西安交通大学化学工程与技术学院，陕西西安 710049；2 西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049）

缠绕管式换热器是一种典型的管壳式换热器，其换热管束按螺旋线形状交错缠绕于芯筒与外筒之间，相邻两层换热管的螺旋方向相反，并且采用一定形状的垫条使之保持一定的间距。其具有结构紧凑、耐高压、传热效率高、单位体积换热面积大等优点[1-5]。缠绕管式换热器的传热性能显著提高主要是由于以下三方面的作用：层与层之间的反向缠绕可以在壳程形成强烈的湍流效果；螺旋型管道对管内流动的强化作用；垫条等部件对壳程的流动造成扰动[6-12]。

针对缠绕管式换热器，学者们做了诸多研究。Neeraas等[13-14]对缠绕管换热器壳侧的换热性能进行了数百种工况的实验研究，得到了适用于各工况下的经验公式；Lu等[15]采用实验测试及数值模拟的方法，对比研究了恒壁温条件、恒热流边界条件以及考虑管内流动的耦合边界条件对计算结果的影响；文键等[16]对比研究了垫条对缠绕管式换热器数值模拟结果的影响，计算结果表明垫条的存在使得强化传热指标增加13.7%～15.4%；王斯民等[17]研究了开槽强化管在缠绕管式换热器中的应用，计算得到可以明显提高缠绕管式换热器壳侧的综合换热性能；Wang 等[18]通过数值模拟得到垫条交错排布相比于对齐排布可以增加流体扰动、增强换热；李书磊等[19]研究了换热管束各结构参数对缠绕管换热器管侧的换热性能的影响，通过正交实验得到了一组较好的结构参数；马飞[20]对比得到了适用于缠绕管换热器的湍流方程，并提出了新型三叶管换热器；邓静[21]用遗传算法对缠绕管式换热器壳侧进行多目标驱动优化研究，并得到了换热器壳程努塞尔数和阻力系数的关系式；田杨等[22]通过数值模拟发现水滴形异型管相比于圆管对缠绕管换热器的流动性能有明显改善。

针对增强缠绕管换热器综合换热效果的研究，集中于对换热管束的形状及结构参数的优化，而对于垫条结构的优化研究较为罕见。但垫条结构对于缠绕管式换热器的综合换热性能及机械强度性能都有不能忽略的作用。因此本文提出了一种沿径向安装缠绕管式换热器芯筒内壁上的垫条型内插件结构，与传统缠绕管式换热器的综合换热性能作了对比分析，并得到了其在各工况下性能最优的排布方式。

1 几何模型和数值方法

1.1 几何模型

建立的直插式垫条型缠绕管式换热器壳程模型与传统型缠绕管换热器模型的主视图与俯视图如图1所示，模型由壳体、芯筒、换热管束和直插式垫条组成，几何模型的参数参照与实验室换热器相同换热面积所设计。芯筒直径28mm，外筒直径74mm，壳程总长度80mm；换热管外壁面直径3mm，螺距20mm，共4 层换热管；相邻两管之间设置两根垫条，垫条直径0.8mm。

图1 几何模型

1.2 数值方法

由于螺旋管束的影响，流场内部存在旋涡，RNGk-ε湍流模型对湍流黏度进行修正，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况[23-26]，因此本次研究采用RNGk-ε模型。模型的控制方程如式(1)～式(5)所示。

质量守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

湍动能k方程

湍动能耗散ε方程

使用结构化网格进行网格划分，并对垫条及换热管处的网格进行局部加密。设置模拟介质为水；入口条件设置为速度入口，入口速度0.2～1.2m/s，入口温度为143℃；出口条件设置为压力出口；壁面温度为220℃；壁面函数为标准壁面函数；采用有限体积法对方程组和边界条件进行数值求解；采用Coupled算法进行压力与速度的耦合。

本文以换热器出口的平均温度及出入口的压降为评价指标，对网格进行无关性验证。平均温度和压降随网格数量的变化如图2所示。当网格数量为210 万时，换热器出口的平均温度及压降比较稳定，且其畸变度小于0.7，网格质量达到要求。

图2 网格无关性验证

将数值计算得到的努赛尔数（Nu）与文献[5]中实验所得的数据进行对比，计算结果如图3 所示。努塞尔数平均偏差为5.67%，数值模拟结果较为准确。计算偏差主要是由于数值模拟假设除换热管壁面外其余壁面为绝热壁面，导致数值模拟得到的Nu数偏高。

图3 实验与模拟结果对比

2 结果与讨论

2.1 壳侧流场分析

缠绕管式换热器壳侧沿轴向的流动形式近似于多圆柱扰流运动，在一定雷诺数下，沿圆柱表面流动的流体在到达圆柱顶点附近就发生边界层分离，分离后的流体圆柱后缘上下两侧有周期性地旋涡脱落，形成规则排列的涡阵，即卡门涡街。垂直于直插式垫条方向的纵截面Q准则云图如图4 所示，Q准则是一种旋涡判别准则，定义为流场中速度梯度张量的第二矩阵不变量具有正值的区域为旋涡。对于传统结构，壳侧流体横掠流过上游管束，边界层分离形成的旋涡重新附着在下游管壁迎流表面，传统结构下该参考面平均涡量大小为101.89s-1，最大涡量值为131281.91s-1；而直插式垫条在固定管束位置的同时，也可作为涡发生器，在图4(b)中可看到直插式垫条可以显著影响管束的尾流场，使得管束周围湍流程度增加，将边界层外的高动量流体带入边界层内，且产生的纵向涡沿主流方向，对边界层产生持续的扰动，进而可以加强壳侧流体的换热性能，参考截面的平均涡量值为128.68s-1，最大涡量值为143710.22s-1，相比于传统结构分别提高了8.30%和9.47%。且传统结构下在0.0015s时换热管束下游便产生周期性旋涡脱落，旋涡脱落会引起管束发生涡激共振，影响换热器的结构稳定性能，而加入直插式垫条后旋涡脱落周期明显增加，使得换热器的结构更加稳定。

图4 纵截面Q准则云图

平行于直插式垫条方向的纵截面速度云图如图5所示。在图中可以明显看到，壳侧介质沿径向进入反应器内部撞击在芯筒内壁上后，主要沿第一层换热管与芯筒内壁形成的间隙向下流动，传统型结构下各层换热管束间速度分布极为不均匀，不利于壳侧介质的换热。壳侧介质在该截面上的流速标准差为0.030；而直插式垫条结构对流体的轴向运动起到了扰流作用，介质横掠流过直插式垫条产生的旋涡，使得流体在层与层之间沿轴向运动的同时，也会沿径向及周向方向在同层换热管相邻管束之间作旋转运动，速度分布更加均匀，流体对各管束的冲刷效果也更加明显，有利于壳侧的换热性能，壳侧介质在该截面上的流速标准差为0.024，该截面速度分布均匀度有明显提高。

图5 纵截面速度云图

模型在平行于直插式垫条方向的纵截面温度分布云图如图6所示。可以看到直插式垫条型缠绕管式换热器纵截面温度分布更加均匀，且平均温度更高，而传统结构下由于其速度分布不均使得流场内部各处温度差异也较大。相较于传统结构模型，温度分布标准差由6.5805降低至5.3204，平均温度由170.81K 提高至171.24K，直插式垫条型结构在该考察面的平均温度及温度分布均匀度分别比传统结构提高了0.25%和19.15%。

图6 纵截面温度云图

图7 为两种结构模型在第3 根垫条处横截面的速度矢量图，图中颜色代表壳侧介质在该处的湍动能。对于传统结构模型，壳侧介质在该横截面上形成近似对称的螺旋流动，在第1层换热管与芯筒形成的环隙右侧沿逆时针方向流动，与左侧沿顺时针方向流动的介质在芯筒背部相撞击后，沿外筒壁面与外层管束形成的间隙流回；而直插式垫条结构对壳侧介质沿径向的流动造成扰动，使得介质在垫条处产生无规则运动，增加介质在垫条区域的湍流强度，有效降低换热管外壁面的流动边界层和热边界层，直插式垫条使得壳侧介质在该横截面的平均湍动能及最大湍动能分别增加了11.76%和12.50%。

图7 横截面速度矢量图

2.2 综合换热性能分析

本文对比分析了直插式垫条型缠绕管式换热器与传统垫条型缠绕管式换热器的综合换热性能，并以PEC 值（Nu/f1/3）作为综合性能评价指标，两种结构壳侧综合换热性能指标PEC 值随入口流速的变化如图8所示。直插式垫条由于其对壳侧介质沿轴向及径向流动的扰动，使得换热效果明显增强，在相同的进口工况下，直插式垫条型缠绕管式换热器壳侧努塞尔数相比于传统结构在相同工况下提高了13.01%～15.55%，但其也造成压降升高了1.3%～4.3%，综合流动性能及换热性能，直插式垫条型缠绕管式换热器壳侧综合性能PEC 值可提高7.4%～10.5%。

图8 PEC随入口流速的变化

2.3 垫条排布形式分析对壳侧综合换热性能的影响

直插式垫条在缠绕管式换热器中可以有多种排布形式，根据沿轴向相邻垫条的相对位置可分为对齐排布及交错排布，两种排布方式的模型如图9所示。模型尺寸与数值方法与前文所述一致，两种结构的直插式垫条数量相同。计算得到两种排布方式换热器结构的综合换热性能随雷诺数的变化如图10所示，由图可知在雷诺数5000～24000的工况条件下，垫条对齐排布的综合换热性能最优；在雷诺数24000～30000 的工况条件下，垫条螺旋排布的综合换热性能最优。

图9 垫条排布方式

图10 PEC随雷诺数的变化

以两种排布方式模型的第3根垫条处横截面与第8根垫条处横截面为参考面，得到雷诺数2000工况下的湍动能云图如图11 所示。在低雷诺数工况下，流体产生的湍流强度较低，对齐排布结构使得各直插式垫条之间排布更加紧密，相邻垫条之间对流体发生互扰，而交错排列使得垫条之间较为稀疏，位于下游的垫条对流体的扰动效果较差，直插式垫条的集中排布可以起到更好的换热效果。从图中可以明显看到低雷诺数下对齐排列湍流强度要优于交错排列，对齐排列第3 根垫条处横截面与第8根垫条处横截面平均湍动能分别为0.000234m2/s2和0.000124m2/s2，交错排列第3 根垫条处横截面与第8 根垫条处横截面平均湍动能分别为0.000231m2/s2和0.000117m2/s2；在高雷诺数工况下，位于换热器下游的单根垫条同样可以起到很好的扰流效果，直插式垫条在换热器内的均布更有利于换热，计算对齐排列第3根垫条处横截面与第8根垫条处横截面平均湍动能分别为0.00105m2/s2和0.000578m2/s2，交错排列第3根垫条处横截面与第8根垫条处横截面平均湍动能分别为0.00115m2/s2和0.000584m2/s2。