【HETA】连续螺旋折流板换热器壳程流动与传热数值模拟

连续螺旋折流板换热器在我国工业生产中有较多应用，其基本设计思想是：在壳程采用沿壳体轴线展开的螺旋折流板结构，使换热器中的壳程流体呈连续的螺旋状流动，强化壳程传热，消除壳程流体的流动死区，降低壳程流动压力降，减小换热器能耗。

本文通过软件对水流经壳程的传热与流动进行数值模拟分析与研究，根据模拟结果对壳程流体换热特性和流动机理进行了探讨，为进一步改善换热器结构提供理论参考。

一：数学模型建立及求解

1、几何模型 

由于仅要模拟螺旋折流板换热器壳程流动与传热情况，因此模型没有必要包括两端封头部分。

螺旋折流板换热器(不包括两端封头)长度1340 mm，壳体内径150 mm；

换热管外径15 mm，正三角形排列，管间距21mm，共计31 根；

螺旋折流板厚度为4 mm，螺旋角度分别为12.2°、15.6°、17.9°、21.4°和25.8°；

进口及出口接管直径80 mm，长度90 mm；

进行比较的弓形折流板换热器折流板间距为130mm，其余尺寸同螺旋折流板换热器。

2、控制方程

换热器壳程流体流动与换热要受物理守恒定律的支配，因此必须满足以下三个基本控制方程：

3、模拟设置与边界条件

使用分离式求解器，稳态隐式格式求解；

壳体壁面和折流板采用不可渗透、无滑移绝热边界；

压力速度耦合方式为SIMPLE算法；

弓形折流板选用一阶迎风格式，标准k-ε湍流模型，螺旋折流板选用二阶迎风格式，Realizable k-ε湍流模型；

近壁处理采用标准壁面函数法。

需要设定边界有：壳程入口为速度入口边界，出口为压力出口边界；换热管壁和壳体壁面为墙体边界。对于没有定义的边界面默认为墙体边界。

二：数值模拟结果分析

在模拟螺旋折流板换热器壳程流动与传热时，取壳程流体介质为水，进口温度27 ℃，平均流速为0.5 m/s，由于只研究折流板结构改变对壳程流动与传热的影响，故为简化计算传热管壁可以做恒温处理，温度为100 ℃。

1、速度分布

图2 为螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器的壳程介质流线对比情况图。

可以看出弓形折流板换热器内部由于折流板的阻挡作用使流体流线曲折，急剧改变，在折流板背风侧有不规则回流，回流情况可以用图3 表示，可以看出流体在折流板缺口附近速度较高，折流板迎风面速度下降，背风面速度最低，甚至回流；

螺旋折流板换热器内部由于折流板的螺旋导流作用使得流体呈螺旋方向规则变化，除壳程进口附近其他部位不存在回流。

2、 温度分布

图4 为两种结构换热器温度场对比图。可以看出弓形折流板换热器内部存在较大的温度差异，螺旋折流板换热器温度分布均匀，且出口温度336.5 ℃高于弓形折流板换热器331 ℃。相比于弓形折流板换热器，螺旋折流板换热器壳程传热系数增加了25%。由前面速度分布可知，折流板背风侧流体流动速度缓慢甚至会形成流动死区，此区域内流体停留时间长故温度较迎风侧高，而这导致了此区域以外流体流速加剧，总体出口温度降低。

3、压力分布

图5 为两种结构换热器压力分布对比图。可以看出螺旋折流板换热器进出口压力降10282.7 Pa，相比于弓形折流板换热器的12531.4 Pa 降低了18 %。这是由于螺旋板的导流作用，壳程流体呈螺旋状流动，速度变化比较平缓，没有流动死区，流动损失小。

换热器壳程进出口的压力降高低影响着流体输送装置的动力消耗，是评价换热器效率的重要指标，由对比可知在压力降方面螺旋折流板换热器要优于弓形折流板换热器。

三：螺旋角影响分析

螺旋角度是螺旋折流板换热器中影响其传热与流动性能的一个重要参数，故取不同螺旋角度(分别为12.2°，15.6°，17.9°和21.4°)的螺旋折流板换热器，在不同的进口平均速度下进行模拟，分析螺旋角度对其影响程度。

1、螺旋角对换热系数的影响

从图6 可以看出随着螺旋角度的增加，壳程传热系数逐渐降低，且壳程流体进口速度越大，降低程度越明显。但是当螺旋角度由17.9°增大至21.4°时，螺旋折流板换热器的壳程换热系数已经低于弓形折流板换热器。原因在于螺旋角度越大，折流板对壳程流体的导流作用越弱，流体横向冲刷换热管束的程度降低，同时使壳程流体在换热器内流动历程缩短，从而导致壳程换热系数降低。

2、螺旋角对压力降的影响

从图7 可以看出螺旋折流板换热器的压力降明显低于弓形折流板换热器的压力降。螺旋角越大压力降越低，以壳程流体进口平均速度为1m/s 为例，当螺旋角度由17.9°增大至21.4°时，其压力降降低了37 %。这是因为螺旋折流板使流体横向冲刷管束的作用减弱，流体湍流程度降低，壳程总体压力降降低，螺旋角度愈大作用愈显著。

综合对比螺旋角度对换热系数和压力降的影响可知传热系数与压力降相互制约的两个参数，通过减小螺旋角度来提高传热系数必然是以增加壳程压力降为代价的。有些学者基于单位压降下的传热系数考虑换热器的综合性能，也有学者基于改进形式的Nu/f，或者j-f 因子来综合评价或优化设计换热器。但这些方法的优化结果只是在特定条件下得到的，并不具有普遍性。如何更合理的把换热性能和压力降结合起来作为目标函数进行综合评价及优化设计是我们继续研究的方向。在实际工程中应该在满足工艺要求的前提下追求综合性能最优化，同时还要考虑到结构的加工可行性。

四：结论

通过对螺旋折流板换热器壳程内以水为流动介质的流体流动与传热性能的模拟计算，获得了壳程流体的速度、压力与温度分布，并与传统弓形折流板换热器进行了比较。螺旋折流板节距与弓形折流板间距相等时，螺旋折流板换热器壳程传热系数增加了25 %左右，而压力降减小了18%左右。

对不同螺旋角度的螺旋折流板换热器进行了模拟，通过比较得出结论：发现随螺旋角增大壳程传热系数和压力降都呈减小趋势，且壳程流体进口平均速度越大，作用越明显。本数值模拟可为螺旋折流板换热器进一步的工程研究提供可靠的理论参考依据。

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