管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數(shù)值模擬研究

吳昊鵬

摘要：本次研究中，筆者通過ANSYS NX8.5建模軟件建立了全流路管殼式換熱器流動與傳熱模型，模型與實際換熱器的尺寸相適應，利用ANSYS Fluent18.1數(shù)值模擬軟件對管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱進行數(shù)值模擬計算，通過數(shù)值模擬計算得到速度矢量、溫度場、壓力場等信息，并對這些信息進加以分析來探索流道中流體的流動與傳熱規(guī)律。

關鍵詞：管殼式換熱器；殼程流體；數(shù)值模擬；流動與傳熱

傳統(tǒng)的單弓形折流板管殼式換熱器在石油、化工等領域中的使用占據(jù)主導地位，單弓形折流板管殼式換熱器占整個換熱器數(shù)量的70%，其具有許多優(yōu)點，如結構可靠、設計與制造簡單、耐高溫高壓、適應性強、處理清洗方便等，這些優(yōu)點在產業(yè)節(jié)能上發(fā)揮了很重要的作用，但是隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的單弓形折流板管殼式換熱器傳熱性差、流動阻力損失大等缺點的存在使其已經不能滿足新的節(jié)能減排形勢。隨著計算機技術和CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬計算分析已經成為換熱器的研究與設計的重要手段，因此，本文采用數(shù)值模擬的方法對管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數(shù)值進行研究。

1 幾何模型構建與工藝條件

本文研究對象采用的是單弓形折流板管殼式換熱器模型，它的幾何結構如圖1所示，模型的主要參數(shù)如下：殼體φ115 mm×6.5 mm×1012 mm；換熱管 19 mm×φ12 mm×3 mm；導流筒φ92 mm×1 mm×120 mm；折流板直徑、間距和數(shù)目：φ100 mm×100 mm×5 mm；殼程接管φ32 mm×2.5 mm；折流板圓缺比例 25%；管程介質為飽和水蒸氣，殼程介質為冷卻水。

通過Fluent軟件的計算得到折流板管殼式換熱器的速度矢量圖。殼程中的折流板將殼程流道分成了許多錯流區(qū)，殼程流體通過折流板的折流作用后，形成了復雜的繞流，折流板之前的區(qū)域流體流速較大，傳熱效果明顯；在折流板的背面，流體的流動為渦流，因此流體流動的速度較慢，換熱效果差，這個區(qū)域流動特性是造成換熱器的傳熱系數(shù)小、傳熱效率低的原因之一。

2.2 換熱器溫度場分析

通過Fluent軟件的計算得到折流板管殼式換熱器的流場溫度分布圖，如圖2所示。

通過溫度分布圖可以看出：

在殼程流體進口處的附近區(qū)域溫度較高，且入口端的溫度梯度較大，因此入口端區(qū)域為換熱器換熱最強烈的區(qū)域，殼程溫度的變化受到折流板的影響而呈現(xiàn)出“Z”字形的變化趨勢，并且由入口端開始，溫度變化的梯度越來越小。

2.3 換熱器壓力場分析

通過Fluent軟件的計算得到折流板管殼式換熱器的流場壓力分布圖，通過壓力分布圖可以看出：殼程流體壓力降低的梯度較管程流體更大，殼程流體在進出口處壓力降低明顯，這種明顯的壓降也體現(xiàn)在折流板的圓缺處，殼程流體壓力損失大，能量損耗高。

3 結論

對傳統(tǒng)的單弓形折流板管殼式換熱器進行了數(shù)值模擬研究，通過計算得到換熱器的速度矢量圖、溫度分布圖、壓力分布圖，通過對這些圖的分析，對換熱器的傳熱效率低、傳熱系數(shù)小等問題的作了進一步的研究，對傳統(tǒng)換熱器的改進有一定的意義，同時也說明數(shù)值模擬計算對于換熱器的研究有重要的價值。

參考文獻：

[1]欒艷春，陳義勝，龐赟佶.基于Fluent的管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數(shù)值模擬[J].化工裝備技術，2015，（05）：913.

[2]孫立勇.管殼式換熱器殼程流動與傳熱的研究[D].東北石油大學，2014.