船用管壳式冷凝器入口流场均匀化性能研究

王建明，杨 宁

(1.泰兴航空光电技术有限公司，江苏 泰州 225400; 2.南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)

0 引言

船用制冷装置作为船上必备设备，已成为现代船舶的研究重点[1]。冷凝器作为制冷系统中的主要部件[2]，由于传热强度和单位金属耗量方面不足，因此船舶工业的发展要求提高管壳式冷凝器换热效率。

在实际情况中，换热器的入口处和换热器的管芯处流动分布不均，严重影响换热器性能。Shah R.K[3]和陈杰[4]指出引起换热器内流动分布不均的主要因素。Bobbili和Sunden[5]对于板式降膜冷凝器复杂两相分布，提出了一套隐式数值求解方法。刘相斌[6]以单管程换热器管箱通过Ansys CFX分析，得到圆形带孔防冲板效果最佳。Tord Karleeon等[7]通过数值模拟，发现加防冲板管壁面平均热流最高可提升24%。以上可得，防冲板不仅具有防冲作用，还起到了均分流场的效果。

目前，大多学者采用Fluent内部多相流模型和Fluent以外的模拟方法[8]进行换热模拟。如程国鹏[9]等通过Fluent中多相流模型模拟了管壳式换热器壳侧沸腾。也有学者采用基于Fluent下的VOF方法模拟冷凝[10-14]。而相似的模拟软件CFX也常用于冷凝模拟研究。运用CFX壁面冷凝模型，模拟了含不凝性气体的冷凝过程[15-18]。

在以前的研究中，研究重点多集中在防冲效果以及震动结垢等问题，忽略了防冲板作为辅助器件对于整体换热效果的影响。本文以某型卧式冷凝器为研究对象，从三维的角度，通过采用Ansys CFX对壳侧冷凝进行模拟研究。借鉴文献[19]设计了防冲板初始开孔方案。探究了防冲板对于壳程流动和换热的影响。并实验验证了防冲板的强化效果。

1 计算模型

1.1 几何模型

图1为本文研究的某型卧式船用冷凝器的几何模型示例，该冷凝器属于管壳式换热器范畴，具体结构参数如表1所示。

图1 卧式冷凝器三维结构图

表1冷凝器结构尺寸表

项目数值筒体内径/mm283换热管有效长度/mm1 434换热管内径/mm13换热管外径/mm16壳侧进口内径/mm32换热管类型低肋管肋化系数3管束排布方式正三角形换热管数102

如图2为防冲板的示意图，本文借鉴文献[19]设计了初始开孔方案，开孔孔径为5 cm，孔沿Y轴方向阵列排布，孔间距为21 cm，开孔位置与叉排布置的第二排管束上下对应，其中宽度W为100 cm，初始长度L与高度H分别取200 cm和20 cm，

图2 防冲板示意图

1.2 数值求解

根据热阻分析的结果，本文将研究重点放在卧式冷凝器壳程冷凝换热与流动过程，为了准确的模拟壳侧流动以及冷凝换热量，采用了全尺寸三维模拟，考虑到整体的计算量以及方案的可行性，选取适用于工程应用的壁面冷凝模型。并作了如下假设：(1)可凝气体的冷凝速率由边界层浓度梯度控制;(2)壁面处可凝气的分压力等于壁面温度所对应的饱和压力;(3)忽略冷凝液膜热阻，所有进入冷凝液膜的质量都将从计算的流体域中直接移除;(4)在冷凝壁面处，冷凝释放的潜热全部以源项的方式添加在固体壁面上。

2 模型验证

为验证模拟结果与网格密度变化的无关性。本文选取改进前卧式冷凝器模型作为示例，共划分了四套网格(430万、553万、624万、775万)。在壳程进口流速V=10.6 m/s工况下，以壁面冷凝换热系数h0和壳程压降Δp作为考察目标，对4套网格分别进行数值计算，结果如图3所示。综合考虑最终选取网格数目为624万。添加防冲板后的卧式冷凝器模型，经过相同验证后，最终网格量取652万。

图3 网格密度变化的无关性

3 计算结果与分析

3.1 流场分布的对比

由于冷凝器壳程添加防冲板后，壳程内部流动将发生改变，随之影响壳程的换热效果以及压力损失，因此有必要对冷凝器壳程内流场进行对比分析。

图4为壳程雷诺数Re=10 942时，冷凝器改进前后的壳程流线图。由图可知，原冷凝器大部分流体集中在冷凝器中部，两端流体分布较少，导致管束两端换热效率低下。同时，大量流体直接冲刷进口下方管束，不仅会引起管束震动失效，还将导致换热管热应力分布不均，影响换热管寿命。当添加防冲板后，流动发生了巨大变化。制冷剂气体从壳程进口进入，受防冲板的阻挡作用，大部分气体发生了折流，从防冲板与筒体内壁之间纵向流出，此时的气体具有较高的流速，直接运动至冷凝器两端，强化了管束两端换热。同时，在管束上方区域，由于气体流速较高，静压较低，对分布在管束中间的气流起到卷吸效果，使聚集在冷凝器两端的气体穿过管束引流至低压区，增强了管束外扰动，提高了有效换热面积。

3.2 温度场分布的对比

壳程制冷剂气体与管束外壁面的热量交换主要以冷凝换热为主，流体的流速以及流动方向的变化都会影响管壁面冷凝换热系数的大小。

图5所示为冷凝器壳程垂直于换热管方向的(xz平面)不同截面上的温度分布情况。从壳程进口到底部管板方向选取了4个截面Section1～4(y=-0.6 m、y=-0.45 m、y=-0.3 m和y=-0.15 m)。图5(a)显示了改进前冷凝器壳程流动分布不均导致的换热不均现象，换热管两端(Section3和Section 4)的换热效率明显低于中间部分(Section1和Section 2)。图5(b)反映了防冲板均分流场后冷凝器两端换热效果明显改善，Section3和Section4管束区域温度下降明显，但防冲板的引入也导致了其下方区域(Section1)换热效率变差，在底部出现了流动死区。

图4 改进前后流场分布

图5 改进前后温度分布

3.3 压力分布的对比

改进前冷凝器壳程由于不含折流板，壳程内部压力基本保持恒定。大量流体从壳程进口进入管束区域，由于流通面积的变化，管束中间区域流速变化较大，存在流动损失，压力变化明显。当冷凝器添加防冲板后，压力骤变区域主要集中在防冲板处，大部分流体受防冲板以及筋板的阻挡发生多次折流，流速与流向发生改变，甚至部分区域形成涡流，造成较大的局部损失，如图6所示，可见冷凝器添加防冲板后，压降明显提升。

图6 局部压力分布放大图

图7展示了冷凝器添加不同防冲板后，在Re=10 942时，管束不同区域之间的壁面热流分布。相比于无防冲板的原冷凝器，防冲板作用明显，不仅提高了整体换热性能，还使换热管壁面热流分布基本趋于均匀。

图7 防冲板对换热管各区壁面热流的影响(Re=10 942)

3.4 综合性能分析

为了全面的评价多工况下冷凝器改进前后的优劣，本文对比分析了冷凝器壳程压降Δp与壳程壁面冷凝换热系数ho，随各壳程雷诺数Re的变化规律。

图8和图9分别为冷凝器壳程压降Δp与壳程壁面冷凝换热系数ho随壳程雷诺数的变化规律。由图8可知，在本文研究的壳程雷诺数范围内，冷凝器的壳程压降都随雷诺数的增大而增大，而且增加的速率越来越快。在所有壳程雷诺数范围内改进后的冷凝器壳程压降始终高于改进前的原结构，并且两者间的差异随着壳程雷诺数增大而增大；在研究的壳程雷诺数范围内，改进后的冷凝器压降平均提高了114%，但从绝对数值上看，压降的变化影响不大。由图9可知，壳程壁面冷凝换热系数ho随雷诺数的增大而增大，在研究工况内，改进后冷凝器的换热性能始终优于原结构，且壳程雷诺数越大，优势越明显。当Re=5471时，改进后ho提升了3.8%，当壳程雷诺数Re=17 900时，相比于原结构，改进后的冷凝器ho提升了31.4%。说明随着壳程雷诺数的提高，防冲板均分流场的效果逐渐显现，同时减缓了短路现象，提高了换热管换热效率。

图8 壳程压降随壳程雷诺数变化曲线

图9 壁面平均冷凝换热系数随壳程雷诺数变化曲线

如图10所示，当壳程Re<14 700时，改进后的冷凝器综合性能小于原结构，而且壳程Re越小，差距越大，主要原因在于，低Re下，换热性能提升的增益远不及压降的增长带来的影响。当Re>14 700时，防冲板的作用逐渐显现，改进后的冷凝器综合性能优于原结构，且随着壳程Re的增加，优势不断扩大；在Re=17 900时，改进后冷凝器的综合性能相比于原结构提高了6.8%。可见初始设计的防冲板适用于高壳程雷诺数情况，对于中低雷诺数的工况，防冲板强化效果不佳。

图10 冷凝器综合性能变化曲线

4 试验分析

4.1 实验系统简介

实验研究对象为两款同型号某型卧式冷凝器，其中一款为不含防冲板的原型冷凝器；另一款为添加防冲板后的冷凝器。实验系统主要包括三个子系统：热源子系统、制冷循环子系统和冷源子系统。如图11所示。实验工况：压缩机满载，环境温度27℃，冷却水进口温度32℃，冷却水进口流量为15～25 m3/h。

图11 实验系统图1-冷凝器；2-电磁阀；3-蒸发器；4-活塞压缩机；5-水箱；6-过滤器；7-风机

4.2 试验数据处理

冷凝器壳侧换热系数通过热阻分离的方法计算。冷凝器的热负荷取冷却水的热量Q

Q=V·ρl·Cp·(Tout-Tin)

(3)

管内强制对流换热系数采用Dittus-Boelter公式[18]

Nu=0.023·Re0.8·Pr0.4

(4)

平均对流温差[17]

ΔT=ψΔTm

(5)

修正系数ψ根据文献[19]查表得出。

壳侧冷凝换热系数ho(以管外表面积为基准)

(6)

4.3 实验值与模拟值的对比

为了满足多工况运行条件以及全面探究新型冷凝器的冷凝特性，本文对比研究了非标况下，两种冷凝器的冷凝换热性能，表2为试验值与模拟值对比，可知h0的模拟值始终略大于试验值，平均偏差为8.9%。偏差在合理范围内，证明本文采用的数值计算方法的可靠性。偏差存在的主要原因是模拟中忽略了液膜热阻，模拟值偏大。从试验值中可知，在壳侧进口流速为10.6 m/s时，相比于无防冲板的冷凝器，添加优化后的开槽防冲板壳侧壁面冷凝换热系数可平均提高12.1%。

表2模拟值与实验值的对比

项目 模拟值/kW·m-2·K-1实验值/ kW·m-2·K-1误差/[%]含防冲板1.9111.7668.21无防冲板1.7251.5759.52

5 结论

本文在模拟雷诺数范围内，得出添加防冲板有助于提高冷凝器换热系数，但是在一定程度上压降也提高。得到雷诺数越大，防冲板效果越好。但在中低雷诺数下，还需进一步优化。其主要结论如下所示：

(1)添加防冲板，冷凝器壁面冷凝换热系数平均提高了19.6%；

(2)壳程雷诺数Re=17 900时，改进后的冷凝器换热系数提升了31.4%，综合性能相比于原结构提高了6.8%。

(3)添加防冲板的新型冷凝器与原冷凝器进行实验对比，新型机具有更高的换热效率。且在壳侧进口流速为10.6 m/s时，添加优化后的开槽防冲板壳侧壁面冷凝换热系数可平均提高12.1%。

符号表：

h0冷凝换热系数，W·m-2·K-1

ΔP冷凝器壳程压降，Pa

Re冷凝器壳程雷诺数

Q冷凝器热负荷，W

V冷却水体积流量，kg·s-1

T冷却水温度，K

Pr普朗特数

ΔT平均对流温差，K

ΔTm对数平均温差，K

Ψ修正系数

K传热系数，W·m-2·K-1

hi管侧对流传热系数，W·m-2·K-1

R热阻，W-1·m-2·K

下角标

out换热管出口

in换热管进口

f污垢