(武汉东海石化重型装备有限公司，湖北 武汉 430223)

针对我国能源利用率低的问题，换热器利用工业中的余热资源，提高能量综合利用率、降低能耗，是解决我国能源问题的基本途径之一[1]。管壳式换热器是在炼油等行业中应用最多的换热设备，不仅能够调节工艺介质的温度以满足生产的需要，同时也能有效进行余热回收[2]。管壳式换热器内部包含管程流体和壳程流体[3]。管程流体经过管箱后流入换热管内，在针对换热器的计算中，一般假定进入换热管的流体受到平均分配，换热管中的流动状态、流量相同，但在实际过程中，由于换热管的位置不同，流体在圆台状管箱内发生射流，造成换热管内流体分布不均匀，同时流体存在径向流速，对管板、换热管产生冲蚀作用，降低了传热效率，同时增大了换热器流体泄漏的风险，影响换热器的使用寿命，存在很大的安全隐患[4]。

针对以上问题，国内有些学者对换热器管箱内流体分布进行了研究。吴金星等[5]应用数值分析方法，提出锥形导流筒结构，改善管箱内流场与压力场的影响；李旭波等[6]研究采用管箱分布器改善流速不均衡情况；刘红姣等[7]研究了导流筒在不同半锥角下对流场与压力场的影响。本文采用CFD数值模拟方法，对两种不同孔径且孔均匀分布的圆形分布板进行分析。分布板置于换热器管箱的入口，通过改变入口流速，对比流体在分布板处压力场与速度场的分布情况，得到圆形分布板上圆孔直径的最佳尺寸。

1 数值模拟方法

1.1 物理模型建立

根据换热器的设计标准以及换热器的规格，使用三维软件Space Claim建立了换热器进口管箱三维模型(见图1)，进口管箱由圆台、圆柱和圆台内部的圆形分布板组成，其入口直径D1=200 mm，出口直径D2=400 mm，圆柱高度H0=200 mm，整体高度H=454.3 mm，圆形分布板的直径为D0=370 mm，厚度h=10 mm。

图1 进口管箱三维模型

本文设计了两种不同孔径且板上圆孔为圆环形均匀分布的圆形分布板，一种孔径d=16 mm，共97个孔；另外一种孔径d=25 mm，共37个孔。其几何模型和具体尺寸见图2、图3。

图2 孔径d=16 mm圆形分布板几何模型

图3 孔径d=25 mm圆形分布板几何模型

1.2 初始边界条件

本文采用单相流体模型，流场内流体为水蒸气，物性为常数，且为各向同性、均匀连续的介质。水蒸气在换热器管箱内作定态流动，入口采用速度入口边界，流速的范围为1～10 m/s，水力半径为0.2 m，湍流强度定义为5%。出口设置为压力出口边界，水力半径0.4 m，湍流强度5%，且管箱和管板的壁面均采用无滑移边界条件。

1.3 数值方法

本文采用ICEM对换热器进口管箱进行网格划分(见图4)。

图4 网格划分

本文采用Fluent流体软件对所有模型进行数值模拟计算，湍流模型选取标准的k-ε模型，并且不考虑传热管是否传热。其他参数选项采用默认设置。初始化方法选用混合初始化。

2 结果和讨论

2.1 分布板压降特性分析

对两种不同孔径分布板在不同进气流速下的情况进行模拟，得到了进出口处的压降值(见图5)。

图5 不同进气速度下不同孔径分布板的压降分布图

压降的存在是物料被流化的基本保障[8]。从图5可以看出，入口流速较小时，压降相对较小，随着入口流速的变大，压降也会明显地增大；入口速度越大，压降增加的曲线会越陡。这是由于在相同孔直径下，流入流体越多，流体通过分布板的流体阻力就越大，压降也会逐渐变大。同时，在相同入口流速的情况下，分布板的孔径越大，压降反而越小，压降提高的幅度会较小。所以在需要达到同一压降时，孔径较大的分布器所用到的进气速度会比孔径较小的分布器更大。

为对比分析低速入口条件和高速入口条件对流场的影响，采用入口流速υ=1 m/s、10 m/s对进口管箱进行模拟分析。图6、图8是经过数据处理后的压力分布图，如图所示整体呈现马鞍形，中部压力高，边缘压力低。从图7、图9中可以看出，在相同的入口流速的情况下，d=16 mm内部压力降大于孔径大的内部压降；拥有d=16 mm分布板的换热器进口管箱的速度分布更加均匀；增大流体进口流速，两种换热器进口管箱内部的压力不均匀度的差距在减小。

图6 υ=1 m/s时不同孔径下的进口管箱全局压力分布

图7 υ=1 m/s时不同孔径下的进口管箱中轴线压力值

图8 υ=10 m/s时不同孔径下的进口管箱全局压力分布

2.2 分布板速度场特性分析

图10、图12分别为入口速度1 m/s和10 m/s时，两种拥有不同孔径分布板的换热器进口管箱在X=0，YZ平面速度云图与流线图，可分析低速入口条件和高速入口条件对流场的影响。

图9 υ=10 m/s时不同孔径下的进口管箱中沿着轴线压力值

图10 υ=1 m/s时不同孔径下的进口管箱全局速度分布

图11 υ=1 m/s时不同孔径下的进口管箱中轴线速度值

图12 υ=10 m/s时不同孔径下的进口管箱全局速度分布

从图10、图12中可以看出，装置内部流速分布的等值线呈马鞍形，中部流速较高，两端流速较低。速度从入口处逐渐降低，在到达分布孔处速度分布已经比较均匀。从图中可以看出，在分布器的周边存在一个小的死区，其中的流体存在回流。当分布板内分布孔d=16 mm时，换热器进口管箱流通截面积的减小率更大，导致管箱内部扰动更剧烈，随进口流速加快，流体受到分布板的阻拦效果更明显，进入分布板处产生的回流区域更大，同时经过分布板后，在无分布孔处均存在回流，管箱壁处水流同时受到壁面的限制，产生的回流区大于其他地方；分布板孔直径越大，产生的回流越少。

图11、图13显示，流体经过分布孔时，由于流通截面积的减小，流速增加，由于流通截面积的变化率更大，d=16 mm的分布孔内流动速度更大；经过分布板后，流通截面积增加，速度降低并存在波动，d=16 mm的速度降低，但快于d=25 mm的；拥有d=16 mm分布板的换热器进口管箱的速度分布更加均匀。

图13 υ=10 m/s时不同孔径下的进口管箱中轴线速度值

图14、图15是入口速度为1m/s、10m/s时，两种不同孔径换热器进口管箱在Z=190mm、260mm和420 mm时的XY平面速度云图。从Z=190mm和Z=260 mm云图中可以看出，d=25 mm的管间流速更大，速度分布更加不均匀；在高速入口条件下，两种换热器进口管箱内部的速度不均匀度的差距在减小。

图14 υ=1 m/s时不同孔径下的进口管箱横截面速度云图

图15 υ=10 m/s时不同孔径下的进口管箱横截面速度云图

3 结语

通过对换热器进口管箱内部进行数值模拟，可以得到如下结论。

(1)装置内部压力分布与流速分布的等值线均呈马鞍形，中部数值较大，边缘数值较小。

(2)在相同的入口流速下，直径16 mm分布板上的压力分布情况比直径25 mm分布板更差；在直径16 mm分布板上由于流通截面积变化率更大，速度值更大，速度分布情况优于直径25 mm分布板。

(3)增加进口流速，压力分布情况会得到改善，所以，要想得到相同的流化效果，直径16 mm分布板比直径25 mm分布板需要更大的入口流速，这会导致能耗增加，但是稳定性更强。

(4)随着进口流速的增加，两种换热器进口管箱内部的速度不均匀度在减小。