（国核工程有限公司上海200233）
摘要：折流板可以改变壳程流体的流动方向，使其垂直于管束流动，并提高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果，采用CFD技术对核电站广泛应用的折流板换热器的壳程流体流动与传热性能进行数值模拟与研究，得到了折流板换热器壳程流体的流场和温度场，分析了不同折流板间距和不同折流板圆缺高度对管壳式换热器壳程流体流动与传热性能的影响，为核电站折流板换热器的设计和应用提供理论基础。
关键词：换热器；折流板；数值模拟
一、常用折流板型式
管壳式换热器中设计折流板的目的是分隔壳程空间，使流体在壳程内流动时受到阻挡，增加湍动程度，从而提高传热系数。其代价是流通面积和流速周期性变化，并在折流板后端形成涡流，产生压力损失，所以选择恰当的折流板型式，折流板间距和折流板切割率将会获得经济传热系数。在TEMA管壳式换热器中最常用的折流板型式有单弓、NTIW、双弓，不过近年来非TEMA标准型的螺旋折流板和折流杆的研究和应用逐渐广泛。
二、折流板数值计算
1、几何模型。由于折流板间距和折流板圆缺对壳程流场和温度场的影响，换热器壳程结构相对复杂，计算模型在保证相关物理量准确下，建立模型时作如下简化假设:①忽略折流板与换热管、折流板与筒体之间的间隙;②假设流体流动和传热过程是均一、稳定的;③对传热导致的流体物性的变化忽略不计，如密度、黏性和比热容等;④假设筒体外壁与外界无热交换;⑤假设流体为牛顿流体，不可压缩、各向同性且连续。取换热器模型结构尺寸:筒体内径D为φ200mm;筒体长度L为800mm，采用正方形布管;换热管外径为φ20mm，换热管数量为24根，管间距为30mm;折流板数目分别为5块、7块，折流板间距H分别为133mm、100mm;水平切口折流板圆缺高度分别为0.33D、0.1D，折流板厚度为4mm，壳程进出口接管直径为40mm，几何模型如图所示。
2、网格划分与边界条件。运用GAMBIT软件对几何模型进行网格划分和优化，网格划分采用分块划分的方法，采用非结构化网格划分，在换热管壁附近对网格进行加密，以满足计算求解的准确性要求。为确定合适的网格数量，对几何模型划分网格的独立性进行了分析，分别对不同网格数量的模型进行了数值模拟和比较，网格数量分别为310695、498728、681458和938754，后两种网格所对应的进、出口压力差和平均传热系数的计算结果相差很小，当网格数量达到68万时，再增加网格数量对计算结果的影响可忽略不计。运用CFD软件对折流板管壳式换热器模型进行数值模拟，采用离散求解器，采用稳态隐式格式求解以保证收敛的稳定性；速度－压力耦合方式采用基于交错网格的SIMPLE算法。壳程流体介质为水，介质物性参数依据流体温度线性插值得到。假设壳程入口流体的速度均匀分布，忽略重力影响，壳体壁面和折流板采用不可渗透、无滑移绝热边界。设置进口边界类型为Velocityinlet(速度入口)，回流条件的设置采用湍流强度和水利直径，出口边界类型为outflow(自由出流)采用经验公式进行计算:
动量、能量以及湍流参量的离散求解均采用二阶迎风格式，采用标准化残差的方式来判断计算方程的收敛性。计算模型的残差精度分别取:连续性方程的残差为10－5，动量方程及k方程的残差均为10－3，能量方程的残差为10－6。
三、模拟结果及分析
对电站用折流板管壳式换热器，壳程进口流体初始温度为283K，选取壳程进口速度使壳程进口雷诺数Re分别为20000、30000、40000、50000、60000、70000和80000，换热管管壁设为恒温323K，对不同折流板间距和不同折流板圆缺高度的管壳式换热器模型进行了数值模拟，得到了折流板管壳式换热器壳程流体的流场和温度场。计算结果以壳程总传热系数h、总压降Δp以及单位压力损失下的传热系数h/Δp作为衡量标准，分析了不同折流板间距和不同折流板圆缺高度时管壳式换热器壳程流体的流动与传热特性，评定不同折流板间距和不同折流板圆缺高度对管壳式换热器流动和传热性能的影响。根据电站用管壳式换热器实际进口流速的范围，通过改变进口流速边界条件，进行多次数值计算，得到了不同进口雷诺数Re时换热器模型对称面XY面上的壳程流体的流场和温度场分布，截面上的流速分布很不均匀，为了增长流动路径，形成错流流动，增强换热效果，利用折流板将壳程流道分成8个错流区。在错流区内，由于折流板的阻挡，壳程流体在遇到折流板时流动方向发生变化，横向冲刷换热管束，形成交叉流动，流体产生围绕管束的运动，增强了流体流动的湍流强度，强化了换热管束的传热效果。在每块折流板的背面，流速较低，形成了“流动死区”。在每块折流板的背部形成的“流动死区”温度较高，换热管束的传热效果较差，影响管壳式换热器的换热效果。根据数值模拟结果，对换热器模型的压降变化规律与传热效果进行分析，随着壳程进口雷诺数的增大，即进口流速的增大，壳程总压降逐渐增大。在相同的壳程进口流速条件下，计算模型的折流板间距较大时壳程总压降较小，随着折流板圆缺高度减小，壳程总压降逐渐增大。随着壳程进口流速的逐渐增加，各计算模型壳程总压降也越来越大，这是由于随着壳程进口流速的增加，各计算模型壳程流体流速增加，壳程流体流动的湍流强度逐渐增强，造成折流板阻挡作用引起的沿程阻力损失增加，从而壳程总压降增大。而折流板圆缺高度为0.1D时，压力降随壳程流速的变化率很大，这是由于壳程流体湍流强度很大，折流板背面附近“流动死区”范围大，导致沿程阻力损失很大，从而使得壳程压力降非常明显。计算模型壳程传热系数随着壳程进口流速增加而增加，在相同的壳程进口流速条件下，折流板间距为100mm、折流板圆缺高度为0.1D时，壳程传热系数最大，且壳程传热系数随壳程进口流速的变化率较大;折流板间距为133mm、折流板圆缺高度为0.33D时，壳程传热系数最小，且壳程传热系数随壳程进口流速的变化较小。在壳程流体流量不变的情况下，通过适当减小折流板间距或减小折流板圆缺高度，可提高管壳式换热器的总传热系数，提高换热性能。从换热器整体性能的角度考虑，单独通过传热系数或压降来评价换热器的性能优劣是不合理的。折流板间距为100mm和133mm、折流板圆缺高度为0.33D的换热器模型所对应的h/Δp相差不大，换热器模型综合性能差不多，因此换热器折流板间距和折流板圆缺高度在某一范围内换热器的综合性能相差不大。
结论
1、随着壳程进口流速的增大，换热器模型壳程总压降逐渐增大。在相同的壳程进口流速条件下，计算模型的折流板间距较大时壳程总压降较小;随着折流板圆缺高度减小，壳程总压降逐渐增大。在壳程流体流量不变的情况下，通过适当减小折流板间距或减小折流板圆缺高度，可以提高管壳式换热器的总传热系数，提高换热性能。
2、从换热器整体性能的角度考虑，各个换热器模型对应的单位压力损失下传热系数h/Δp随壳程进口流速的增大而减小。折流板间距和圆缺高度在某一范围内变化时，换热器的综合性能变化不大，可结合换热器的换热性能要求选择合适的折流板间距和折流板圆缺高度。
参考文献：
［1］高宏宇，孙海阳．曲面弓形折流板换热器壳程流体流动与传热［J］．化工学报，2014，62(5):1233－1238．
［2］高宏宇，钱才富．曲面弓形折流板换热器壳程压力降的数值模拟［J］．压力容器，2013，27(2):24－27．
［3］马贵阳，李高萍．折流板位置对换热器性能的影响［J］．工业加热，2013，37(6):63－65．
［4］黄文江．弓形折流板换热器中折流板对换热器性能的影响［J］．工程热物理学报，2012，28(6):1022－1024．