李士腾，王洪利，张燕，朱治敏，张超

(华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210)

引言

随着国家对节能减排重视程度的提高，能源有效化利用逐渐成为人们研究的热点[1,2]，换热器已广泛应用于发电厂、建筑供暖、家用冰箱、石油、核能等各个领域[3]。流体换热选取原则，通常会以逆流换热为主，教材上也指出逆流换热效果优于顺流方式，但详细分析原因并不多见。近年来，国外集中对在逆流换热方式前提下的换热器换热强化进行了研究：Do Huu-Quan[4]等对简单套管式换热器逆流换热进行了数值模拟研究，发现当Re<7 000时，内扁管性能优于内圆管；当Re<7 000时，内圆管换热性能则要优于内扁管。Sivalakshmi[5]等人研究了翅片对套管换热器换热性能的影响，发现与光滑套管换热器相比，加翅片之后换热效果增强了35%；与内螺旋套管相比，增强了38.46%。国内对于顺逆流的换热大多停留在实验研究上：孙昊[6,7]以板式换热器为研究对象，研究了顺、逆流2种流向下的热通量、换热温差、换热效率，发现逆流换热总是优于顺流换热。敖江丽[8]等以实际工程为例，以所需换热面积为评判标准，对顺、逆流2种工况分别计算，发现逆流时所需面积要小于顺流。申江[9]等以蒸发式冷凝器为例实验研究了不同工况下的顺、逆流传热、传质情况，发现在同等条件下逆流传热、传质系数都要高于顺流。

基于逆流和顺流换热形式和特点，该项研究利用Fluent软件对不同工况下的不同流体流向进行模拟分析，旨在对2种换热方式进行深入探讨。

1 换热器热力学分析

1.1 换热关系式

以无相变的套管式换热器为例，传热过程包括流体与管壁之间的对流换热以及管壁上的导热过程。换热器有2个基本关系式：传热基本方程式和热平衡方程式。

传热基本方程式的一般表示形式为：

(1)

其中，Q为传热量，W；k为换热器传热面某一单元的传热系数，W/(m2·K)；dA为某一单元传热面积；Δt为传热面上某一单元传热流体温差，K。

工程计算时将上式简化可得：

Q=KAΔtm

(2)

K为传热面的总传热系数，W/(m2·K)；A为传热壁面面积，m2；Δtm为间壁两侧传热流体平均温差(亦称对数平均温差)，K。

平均温差计算公式为：

(3)

上式对于顺流、逆流2种工况都适用。

假设外壁面为绝热壁面，则根据能量守恒定律，热平衡方程式可以表示为：

(4)

其中，下角标1、2分别代表热流体与冷流体，'、''分别代表进口状态与出口状态。M为流体质量流量，kg/s；h为流体的焓值，J/kg。

1.2 换热原理

顺流换热就是指冷热流体流向一致的换热方式。在换热过程中冷流体温度沿程不断升高，热流体温度沿程不断下降，其换热原理如图1所示。

图1 顺流换热原理

逆流换热就是冷热流体流向相反的换热方式。在换热过程中，为得到更好的换热效果，所需流体通常下进上出，而另一流体流向刚好与之相反，冷流体温度沿程不断升高，热流体温度沿程不断下降，其换热原理如图2所示。

图2 逆流换热原理

2 物理模型

2.1 模型建立与简化

将套管式换热器进行建模，模型如图3所示。考虑到计算机的性能，对原模型进行合理的简化：

(1)只考虑纵向传热及扰动效果；

(2)忽略进出口效应带来的热扰动。

最终模型为内管直径36 mm,外管直径80 mm，内外管壁厚2 mm，管子总长6 200 mm的二维图形。简化后的模型如图4所示。

图3 换热器几何模型图 图4 换热器简化模型

2.2 网格划分及边界条件

简化后的模型形状不规则，采用三角形壳网格对其进行划分。为降低服务器计算负荷，减少网格数，壁面厚度利用Fluent中的Wall Thickness进行设定，其中内外管壁都设定为2 mm，且内管为导热性能好的紫铜，外管为抗腐蚀性能好的不锈钢。最终划分网格总数为514 849个，保证大部分网格质量都达到0.6，长宽比趋于1，最小角大于45°，最终划分结果如图5所示。

图5 网格划分示意图

管内模拟材料都采用液态水，内管为高温流体，外管为低温流体。边界条件设置如下表1所示。

表1 模拟边界类型及设置

2.3 网格无关性验证

取内管入口速度为0.02 m/s，外管速度为0.03 m/s时的一个逆流工况和顺流工况来进行验证。通过设置最大网格尺寸来生成不同数量的网格，分别取网格数为95 982个、129 840个、142 938个、198 542个、235 420个，发现随着网格数量的增加，2种工况模拟值差距越来越小并趋于稳定，考虑到计算机性能及结果准确程度的影响，最终确定网格数为142 938个。

2.4 物性参数的确定

以水的物性参数为例，水的温度在热量传递过程中不断变化，为保证模拟的准确性，经REFPROP9.1查询水的密度、比热容、导热系数、粘性等物性后利用MATLAB以最小二乘法为基础进行拟合，得到这些参数与温度的关系关联式，在Visual Studio 2013中编写水的物性参数随温度变化的UDF，编译完成后加载进Fluent中。常压下水的部分物性参数如表2所示。

表2 水的物性参数

3 模拟过程及结果

3.1 模拟过程

激活能量方程以及k-ε紊流模型，采用couple算法，将各个残差都设定为10-6，并在内外管出口处设定温度监测曲线，待残差曲线收敛且监测曲线稳定后输出结果。

模拟了顺流、逆流换热的4种不同形式，分别如表3所示。

表3 不同工况流向

与表3所对应的工况如图6所示。

图6 不同工况流向简图

3.2 模拟结果

保持内管入口速度为0.02 m/s不变，工况2、3不同外管速度下温度场模拟结果对比如图7～图11所示。

图7 外管入口速度为0.03 m/s温度场

图8 外管入口速度为0.06 m/s温度场

图9 外管入口速度为0.09 m/s温度场

图10 外管入口速度为0.12 m/s温度场

图11 外管入口速度为0.15 m/s温度场

由图7～图11可知，随着外管流速的升高，2种流向外管出口温度都呈下降趋势，这是因为在外管流速增加的工况下，外管中的冷流体与内管中的热流体接触时间变短，导致外管流体换热还未充分就流至管外。在流体流动过程中水平位置流动比较稳定，在流动方向发生变化时会发生扰动，可以得知，在流向发生变化时会增大流体的扰动从而加强换热效果。因此，在实际的应用中可以在条件允许的情况下使流体流动方向发生多次改变从而增强换热。

利用Fluent中的SurfaceIntegrals可以提取出内外管出口流体平均温度，经整理在Origin中进行处理可得如图12所示点线图。

图12 内、外管出口平均温度曲线

由图12及Fluent中提取到的数据可知，外管流体流速由0.03 m/s提高至0.15 m/s的过程中：外管出口温度逆流工况温升由11.838 K降低至2.825 K，顺流工况温升由11.04 K降至2.727 K，这是因为外管流体流速越低，与内管流体换热会越充分，且逆流工况出口温度永远高于顺流工况，随着流速降低，其差距亦会增大；内管出口温度逆流工况温降由26.099 K升高至27.41 K，顺流工况温降由25.484 K升高至27.165 K，这是由于随着外管流体流速增加，其流量也会增加，从内管中带走的热量就会增加，致使内管温降变大，并且内管出口温度逆流工况永远低于顺流工况。综上所述，逆流换热效果要优于顺流。

工况1～4在Fluent中提取到的出口温度数据在Origin绘制点线图如图13所示：

图13 4种工况不同外管流速内、外管出口温度曲线

保持外管速度0.03 m/s不变，改变内管速度，模拟结果经处理在Origin中可绘制如下点线图14。

图14 4种工况不同内管流速内、外管出口温度曲线

由图13、图14及Fluent出口参数可得，在相同条件下逆流换热情况一直优于顺流，2种不同顺、逆流差距不大。若想得到较高的外管出口温度，换热优劣顺序为工况3、工况4、工况2、工况1，以逆流换热工况3、4为例，工况3外管流体从下到上过程中需要克服重力的影响，加大了流动过程中的阻力，换热效果更好，因此外管出口温度要高于工况4，工况1、2同理。

4 结论

利用Fluent软件对套管式换热器不同内外管流速条件下的不同流体流向进行了模拟，结果表明同等条件下逆流换热效果一直优于顺流换热，验证了以往经验的准确性。同时，在条件允许的情况下可以增加管内流体流向改变的次数，通过增加流体扰动性达到增强换热的效果。