管殼式換熱器殼側(cè)沸騰換熱模擬研究

程國鵬，馮立斌，陳鵬飛

(昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

管殼式換熱器在核電站、石油化工、大型動力電站及制冷空調(diào)工程等領(lǐng)域有著廣泛使用，國內(nèi)外學(xué)者們也從未停止過對其進行研究和改進，采用分布阻力、表面滲透度、容積多空度等多種理論手段對管殼式換熱器進行了不同流動形式下的模擬計算［1－4］，并于1974 年首次將計算流體力學(xué)CFD 運用于管殼式換熱器數(shù)值模擬研究［5］，取得了豐碩的研究成果。但目前理論研究大多僅限于單相流動的二維和三維模擬分析，而研究表明多數(shù)管殼式換熱器殼側(cè)流動存在兩相流［6］，所以殼側(cè)兩相流動的實驗?zāi)M就顯得尤為必要，在這方面國內(nèi)學(xué)者已有一些重要理論成果:2000 年，上海交通大學(xué)的黃興華建立了管殼式換熱器殼側(cè)紊流流動的三維數(shù)值模型，對殼側(cè)流體流動及傳熱進行了研究，對冷凝器兩相流動進行了模擬分析［7－8］;呂彥力等發(fā)表于河南科技大學(xué)學(xué)報上的文章研究了旁路流對換熱器殼側(cè)氣液兩相流動特性的影響［9］;陳達衛(wèi)等在煉油技術(shù)與工程雜志上對TEMA －F 型換熱器殼側(cè)環(huán)狀流時兩相流換熱進行了模擬仿真［10］。通過分析近年來管殼式換熱器的一些理論實驗成果不難發(fā)現(xiàn)，研究的重點主要集中于改善流動質(zhì)量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式［11］、提高換熱效率、如何消除原有結(jié)構(gòu)換熱死區(qū)等方面，而流動換熱模擬水平的提高、大量CFD 軟件的使用無疑為這些研究提供了重要手段，但湍流模擬的復(fù)雜性決定了未來一段時間里管殼式換熱器的研究重點仍為如何使流體流動產(chǎn)生更廣泛的小渦湍流，進一步提高換熱質(zhì)量。

本文將著重于對基本尺寸的管殼式換熱器殼側(cè)進行三維沸騰換熱的研究分析，得到切合實際的殼側(cè)流動、換熱數(shù)據(jù)，為以后管殼式換熱器的改進和合理使用提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理

本論文參考實際使用情況及應(yīng)用價值，并考慮處理難度，將設(shè)定換熱器為單管程、弓形折流板管殼式換熱器，利用Gambit 強大的前處理能力對其進行構(gòu)造模型、網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)定等操作，然后使用Fluent 軟件做進一步初始設(shè)置，引入自定義函數(shù)UDF，建立相應(yīng)計算模型，采用合理的兩相流模型和求解器對其進行迭代計算。

1．1 參數(shù)設(shè)定

管殼式換熱器采用弓形折流板，單管程，見圖1。換熱器殼側(cè)長為1 200 mm，內(nèi)徑為Ф150 mm，折流板厚度為3 mm，間距為260 mm，距殼側(cè)邊緣為210 mm，圓缺距圓心為35 mm，排氣缺口位于折流板的上方，換熱管采用三角形排列，外徑為Ф16 mm，內(nèi)徑為Ф14．2 mm，各換熱管中心距為22 mm，共31根，殼側(cè)冷水進口和蒸汽出口管徑均為Ф60 mm，進水口距殼側(cè)邊120 mm，出氣口距殼側(cè)邊100 mm。冷凝水進水溫度為25℃，流速為1 m/s，出口為飽和水蒸氣。換熱管過熱水蒸氣進氣溫度為140℃，出口溫度為103℃。

圖1 換熱器尺寸圖

1．2 前處理

首先用Gambit 軟件畫出管殼式換熱器殼側(cè)模型圖(如圖2)。由于折流板厚度較小對流動影響不大，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，使計算簡化，這里忽略折流板厚度影響，只做wall 處理;由于模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，首先要對模型體進行分塊，然后逐次分區(qū)域劃分網(wǎng)格，對殼側(cè)進出口段采用相對規(guī)則的Hex －cooper式網(wǎng)格，對結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的各個弓形板間用Tet/Hybrid－TGrid 方式劃分網(wǎng)格。最后對各個面進行相應(yīng)的邊界設(shè)定。

1．3 Fluent 計算

1．3．1 計算模型選擇

圖2 網(wǎng)格圖

兩相流模型選擇:VOF(Volume of Fluid)模型是在整個計算域內(nèi)對一種連續(xù)和一種非連續(xù)的不互溶并且有相對明顯界面的兩相流進行分別求解的計算模型;而混合物模型對象可以是顆粒或者流體，能夠模擬勻質(zhì)彌散相對完全混合的兩相流，對其進行整體計算;當(dāng)多種流體以網(wǎng)格尺寸完全混合時，歐拉模型通過流體相互影響分別計算更能反映真實情況，缺點是計算量較大。

論文主要涉及水蒸氣和液態(tài)水的兩相流模型，屬于氣液兩相流(不同的有氣液、氣固、液固、液液兩相流［11］)，考慮水蒸氣和水混合特點以及對計算難度和精度的要求，本論文將采用混合物模型。

湍流模型選擇:對于一般工程流體計算，標(biāo)準(zhǔn)的k－ε 方程已經(jīng)完全可以滿足精度要求，其形式為

式中

k——湍動能/m2·s－2;

ε——湍流耗散率/m2·s－3;

ρm——流體密度/kg·m－3;

u——流體速度/m·s－1;

Pt——由平均速度梯度引起的湍動能k 的生成項;

μ——流體動力粘度;

μt——湍流粘性系數(shù);

σk、σε——與k、ε 對應(yīng)的普朗特數(shù);

Cε1、Cε2、Cμ——經(jīng)驗常數(shù)。

1．3．2 迭代設(shè)置

將模型引入Fluent，采用分離式求解器，多相流采用混合物模型，粘性方程用標(biāo)準(zhǔn)k －ε 模型(選擇粘性熱傳遞)，激活能量項，控制條件選重力作用項為－y 方向9．81，由于是沸騰換熱，兩相流涉及水和水蒸氣的質(zhì)量轉(zhuǎn)換、氣化潛熱等問題，所以要自建能量、質(zhì)量轉(zhuǎn)換的自定義函數(shù)UDF，將其引入邊界條件設(shè)定中(如圖3 所示)。

為了使問題簡化，本文將換熱管邊界溫度進行分段常量設(shè)置，分為高溫段和低溫段。

圖3 自定義函數(shù)UDF 導(dǎo)入

圖4 溫度圖

圖5 速度矢量圖圖

圖6 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)圖

1．4 計算結(jié)果

通過速度矢量圖(圖5)得知在弓形板后方形成了較明顯的大尺度渦湍流，使得整體流動速度明顯放緩，阻力損失增大，壓力降低，成為流動死區(qū)，這樣就造成了溫度圖(圖4)中弓形板后溫度過高、熱量聚集的現(xiàn)象，而較低的流速也進一步降低了這些地方的有效換熱溫差，對換熱極為不利，最終形成了換熱死區(qū);通過水蒸氣分布圖(圖6)不難看出水蒸氣相主要集中在殼側(cè)后部，并且越往上水蒸氣所占比例越大，這也符合水蒸氣密度小于水的事實。

2 總結(jié)

通過溫度圖、速度矢量圖得知在弓形板后存在較明顯的換熱死區(qū)，再結(jié)合水蒸氣相主要分布區(qū)域，總結(jié)對管殼式換熱器主要影響和改進建議如下:

(1)換熱死區(qū)的存在對換熱質(zhì)量形成較大影響，可以通過在弓形板上增加導(dǎo)流孔減小影響，提高換熱質(zhì)量，增大有效溫差;

(2)弓形板后過高的熱量聚集使得弓形板前后形成了較大的溫差，再加上板后區(qū)域相對封閉的大尺度湍流影響，這就對弓形板的強度，耐腐蝕性提出了很高要求，在生產(chǎn)過程中要適當(dāng)提高弓形板質(zhì)量等級;

(3)水蒸氣相主要出現(xiàn)在管殼式換熱器殼側(cè)流動的后部，并且越往上比例越大，這樣就在殼側(cè)腔體頂部和出口連接位置出現(xiàn)了水蒸氣的聚集，溫度也隨之升高，所以在結(jié)構(gòu)上這一區(qū)域要有較好的耐高溫和耐腐蝕性。

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