基于CFD技術(shù)的某管式換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張 勇，胡京明，李 航，林城洋，高偉亮，蘇 新

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

列管式換熱器是目前工業(yè)中應(yīng)用最廣的一種過程裝備，主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。常采用普通碳鋼、紫銅或不銹鋼制作。換熱器換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管內(nèi)流動(dòng)，最后從封頭另一端的出口管流出，稱之為管程；另一種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，稱之為殼程[1]。

對于列管式換熱器的設(shè)計(jì)，目前朝著精細(xì)、節(jié)能、高效傳熱方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高，計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，簡稱CFD）已成為過程裝備設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)手段[2-4]。應(yīng)用CFD技術(shù)，可從流場角度，以經(jīng)濟(jì)、高效、便捷的方式對其細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)[5-7]。為了推廣CFD技術(shù)在列管式換熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，本文采用數(shù)值模擬法，在對工程中某小型油-水列管式換熱器進(jìn)行流場分析的基礎(chǔ)上，針對其原始結(jié)構(gòu)的不足，應(yīng)用兩組不同形式的折流板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)克服了原始結(jié)構(gòu)存在局部過熱的缺陷，其中一種結(jié)構(gòu)還具備沿程阻力損失較小的優(yōu)點(diǎn)。

1 模型建立

1.1 幾何模型

在工程測量的基礎(chǔ)上，對6063鋁合金機(jī)油-水冷列管式換熱器建立了數(shù)字幾何模型，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化，簡化后的幾何模型如圖1所示，其主要幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 列管式換熱器幾何模型Fig.1The geometric model for shell-tube heat exchanger

表1 換熱器幾何參數(shù)Table 1The geometry parameters of heat exchanger

1.2 求解模型

列管式換熱器的能量交換主要是指殼程和管程的換熱，因此不考慮殼體外表面與空氣間的熱交換。CFD計(jì)算求解的基本方程采用三維流體守恒通用數(shù)學(xué)模型[5-7]：

以上式中各變量的物理意義及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值具體參見文獻(xiàn)[8]，本文從略。

1.3 邊界條件與求解設(shè)置

換熱器由兩個(gè)相互獨(dú)立的流動(dòng)域組成，由換熱器結(jié)構(gòu)可見其流動(dòng)為湍流。對此，確定其求解的條件如下：3D定常流，開啟能量方程，采用非禍合求解法的隱式求解算法，設(shè)定絕對速度。利用k- RNG（re-normalization group）模型，采用SIMPLE方法求解方程和二階差分迎風(fēng)差分。根據(jù)CFD邊界定義類型和求解模型，輸入的邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件Table 2The boundary conditions

2 結(jié)果與討論

根據(jù)設(shè)定的邊界條件，模擬了換熱管束表面和管板的溫度場、管程和殼程速度流場，所得溫度場云圖和速度流場圖分別如圖2和3所示。

圖2 溫度場云圖Fig.2Temperature field cloud chart

圖3 流線圖Fig.3Flow cloud chart

根據(jù)圖2和3所示，冷卻水從入口處進(jìn)入管程，由于其初動(dòng)能在封頭域內(nèi)形成較大渦流，增大了壓力損失，進(jìn)而在出口處壓力較小，導(dǎo)致出口流速緩慢，影響了換熱器的換熱效果。冷卻水進(jìn)入封頭域內(nèi)后，絕大多數(shù)的水從底部幾根管子流走，冷卻水在底部幾根管子內(nèi)流動(dòng)較快，而在上層部分管子的流動(dòng)緩慢，甚至沒有流動(dòng)。這導(dǎo)致圖2中的D點(diǎn)附近出現(xiàn)了較大面積的低溫區(qū)，C點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)較大面積的高溫區(qū)。這一結(jié)果說明，該換熱器存在明顯的缺陷，應(yīng)從接管布置位置、封頭結(jié)構(gòu)、進(jìn)出口位置、流向和殼程內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。上述分析已在前期研究[9]中有部分說明，本文從略。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如前所述，本研究擬從接管布置位置、封頭結(jié)構(gòu)、進(jìn)出口位置、流向和殼程內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面對該系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化措施分為A,B兩組，兩組結(jié)構(gòu)優(yōu)化均采用對沖的冷卻流接頭方式，采用錐型封頭形式，但A組采用4片內(nèi)部半圓缺口形式折流板，B組采用4片內(nèi)部完整圓形折流板。按上述計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化后的流場分析，2組優(yōu)化措施方案的溫度場云圖和流場圖如圖4～6所示。

圖4 管程溫度云圖Fig.4The cloud chart of tube pass temperature

圖5 管程流場圖Fig.5The chart of tube pass flow field

a）方案A

圖6 殼程流場圖Fig.6The chart of shell pass flow field

由圖4可見，采用兩種不同的折流板后，管程外表面溫度分布基本均勻，無局部溫度過熱現(xiàn)象，且A方案的最高溫度比B方案的高出1 K。

由圖5所示管程流場圖可見，方案A的管程流動(dòng)和管程B的相比，雖相對于原始方案流動(dòng)較為暢通，但仍在上層部分管子中存在滯留現(xiàn)象。從速度分布上看，B方案不僅整個(gè)管程流動(dòng)順暢，且多數(shù)管子流速加快。

由圖6可見，對于殼程的流動(dòng)，兩組方案無明顯差別。但由于方案A中的流動(dòng)路徑相對曲折，從而增加了流動(dòng)沿程阻力損失，故從其流動(dòng)速度云圖上看，低于方案B。

綜上所述，通過對換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用對沖方式和錐形封頭兩種折流板形式均可有效改善換熱器內(nèi)部溫度的分布情況，避免了局部溫度過高現(xiàn)象。同時(shí)，內(nèi)部管程流動(dòng)順暢，但從效果上看，B方案優(yōu)于A方案。

4 結(jié)論

通過以上的計(jì)算和結(jié)果討論，可得如下結(jié)論：

1）利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)，可以從流場角度出發(fā)對換熱器進(jìn)行分析，極大地提高了換熱器的設(shè)計(jì)水平。因而可以將CFD數(shù)值仿真技術(shù)作為現(xiàn)代過程裝備設(shè)計(jì)的新計(jì)算方式而大力推廣應(yīng)用。

2）在計(jì)算基礎(chǔ)上，針對工程用油-水列管式換熱器在結(jié)構(gòu)上的不足，提出了2組新型折流板，優(yōu)化后的流場溫度分布趨于均勻，避免了換熱器出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)象。

3）采用折流板技術(shù)優(yōu)化流場時(shí)，可以采用多種形式，但應(yīng)綜合考慮其流場沿程的阻力損失和溫度分布的均勻性。本研究中提出的2種優(yōu)化方案中，采用新型內(nèi)圓式折流板結(jié)構(gòu)，在保證流場溫度分布均勻的條件下，沿程阻力損失也相對較小，是較佳的改進(jìn)方案。

當(dāng)然，基于流場分析的CFD技術(shù)在過程裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)其試驗(yàn)研究。

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