基于FLUENT的管殼式換熱器的模擬研究

鞠彩霞，李鳳剛，鄭奉斌，董凱

(棗莊學(xué)院 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 棗莊 277160)

1 緒論

管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器.這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、流通截面較寬、易于清洗水垢；但傳熱系數(shù)低、占地面積大，廣泛應(yīng)用于化工、煉油、動(dòng)力、輕功、食品、原子能等各個(gè)領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最廣泛的類型[1-5].

近年來計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件在分析實(shí)際的工程問題中有廣泛的應(yīng)用，其中FLUENT 軟件是計(jì)算流體力學(xué)問題的常用軟件，目前應(yīng)用FLUENT軟件模擬管殼式換熱器的內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)有了較快的發(fā)展[6,7].利用FLUENT軟件模擬管殼式換熱器的內(nèi)部流體流動(dòng)情況，得出溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的可視化，對(duì)換熱器的優(yōu)化提供了參考，具有重要的指導(dǎo)意義[8-10].

2 管殼式換熱器的模擬

2.1 建立模型

根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示，在Gambit中建立模型，換熱管的排列方式為正三角形排列.設(shè)置邊界類型，選擇步長(zhǎng)為3，其他設(shè)置保持默認(rèn)，生成換熱器網(wǎng)格，輸出網(wǎng)格文件.

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 求解計(jì)算及分析

將輸出的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中的3D求解器進(jìn)行求解計(jì)算，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，入口速度分別為0.01m/s、0.05m/s、0.1m/s、0.15m/s、0.5m/s、1m/s下求解計(jì)算，得到不同速度下?lián)Q熱器溫度場(chǎng)、速度矢量分布，其計(jì)算結(jié)果如圖1和圖2所示.

圖1 不同速度下?lián)Q熱器的溫度場(chǎng)分布圖

圖1為換熱器殼程的溫度場(chǎng)分布圖，圖的左側(cè)表示溫度的大小，顏色越淺溫度越高，隨著換熱器殼體冷凝水的進(jìn)口速度的增加，折流板后的高溫區(qū)域逐漸減小，有利于換熱.從圖1中可以看出速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響，因?yàn)樗俣嚷龝r(shí)管壁處是層流，所以換熱效果不好.

圖2 不同速度下?lián)Q熱器的速度矢量分布圖

在換熱器的速度矢量分布圖中可以看出，流體經(jīng)過折流板的圓缺部分后通過管束，在折流板的作用下在殼程內(nèi)作反復(fù)繞流.在折流板附近可以看到流體在折流板前的區(qū)域內(nèi)橫向沖刷換熱管束，呈錯(cuò)流傳熱，85%左右的熱傳遞在此區(qū)域內(nèi)完成；折流板的下方區(qū)域是順流區(qū)，流體平行流動(dòng)，在此區(qū)域內(nèi)完成的熱量傳遞約為15%左右；折流板后方是渦流區(qū)，流體在此區(qū)域內(nèi)相對(duì)停滯，使其熱混合程度極小，熱量在此區(qū)域內(nèi)聚集無(wú)法被及時(shí)傳遞到下游，局部換熱效果較差，因此被稱為傳熱死區(qū).傳熱死區(qū)的存在使換熱器的換熱面積無(wú)法被充分利用，因而傳熱系數(shù)小并且容易結(jié)垢.

在換熱器的殼體入口處可以看出，流體在殼體進(jìn)口處橫向沖刷換熱管束，由于為了便于裝配，折流板的管孔要大于換熱管的外徑，導(dǎo)致管子固定不緊，在流體的橫向沖擊作用下，換熱管后方區(qū)域形成漩渦，使換熱管束容易產(chǎn)生流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)，這會(huì)使管子與管板的焊接接頭破裂，導(dǎo)致折流板管孔處的板子磨穿，使用壽命縮短.減少振動(dòng)最有效的方式是縮短折流板間距或降低流體的流速，但是折流板的增多會(huì)導(dǎo)致殼程阻力的增加和傳熱死區(qū)面積的增大，因而使能耗增加，有效傳熱面積減小，降低流體的流速又會(huì)使換熱器尺寸變大，傳熱系數(shù)下降，因此在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)要綜合考慮其因素.

3 結(jié)論

管殼式換熱器的管程走冷凝水，殼程內(nèi)的熱流體.利用FLUENT軟件對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行不同速度下的流體流場(chǎng)模擬，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布的可視化，為裝置的優(yōu)化提供了參考.