新型高效率熱交換器的仿真模擬研究

孫鋒，孔德霞，董敏

新型高效率熱交換器的仿真模擬研究

孫鋒，孔德霞，董敏

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

文章利用Fluent模擬軟件對(duì)殼管式熱交換器不同結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣管組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，分別對(duì)其產(chǎn)生的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等進(jìn)行分析，研究其對(duì)熱交換器的換熱效果產(chǎn)生的影響。

Fluent軟件；管殼式熱交換器；溫度場(chǎng)；速度場(chǎng)

1 市場(chǎng)需求

隨著我國由動(dòng)力設(shè)備生產(chǎn)大國向生產(chǎn)強(qiáng)國的過渡和國家對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的提高，社會(huì)對(duì)制冷空調(diào)設(shè)備的節(jié)能化要求也越來越高。熱交換器在化工、石油、動(dòng)力、食品及其他許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，在化工生產(chǎn)中，熱交換器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用十分廣泛[1]。石油、化工行業(yè)是熱交換器最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，約占30%的市場(chǎng)份額，電力和冶金兩大行業(yè)約占16%的市場(chǎng)份額，集中供暖和制冷空調(diào)行業(yè)約占8%的市場(chǎng)份額，船舶行業(yè)約占8%的市場(chǎng)份額，機(jī)械行業(yè)在汽車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用占8%的市場(chǎng)份額，此外，在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，熱交換器用量也較大。按照機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)的預(yù)測(cè)，2010年至2020年期間，我國熱交換器產(chǎn)業(yè)將保持年均10%～15%左右的速度增長[2]。

2 軟件Fluent

Fluent 軟件是國際上較為流行的一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，在國內(nèi)也是使用最為廣泛的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件[3]。它可用于模擬各種復(fù)雜工況下的流體狀態(tài)，分析其流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)的數(shù)值模擬軟件，該軟件可以自動(dòng)生成各種形狀，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）穩(wěn)定性好：經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明，該軟件具有良好的工作穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出結(jié)果，同實(shí)驗(yàn)符合較好。

（2）適用范圍廣：不一樣的流體物質(zhì)，不一樣的流動(dòng)方式，所需要的參數(shù)設(shè)置和計(jì)算方法大不一樣。無論是湍流模型、層流模型，還是多相流模型與物質(zhì)反應(yīng)模型，該軟件都能完成，既節(jié)約了科研人員的精力，又可實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科協(xié)助。

（3）高效省時(shí)：每一個(gè)子軟件之間不僅可以進(jìn)行數(shù)據(jù)互換，而且處理工具做到了統(tǒng)一，省去了繁瑣的編程及重復(fù)處理，減少低效、重復(fù)的勞動(dòng)。

（4）精度高：表現(xiàn)在對(duì)模擬狀況的還原程度高，可以做到模擬結(jié)果及時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果，保障了工程的順利完成。

3 流場(chǎng)分析

3.1 換熱器模型建立

本次模擬所創(chuàng)建的幾何模型為簡易殼管式換熱器，通過Fluent軟件創(chuàng)建物理模型，運(yùn)用Meshing網(wǎng)格對(duì)殼管式換熱器進(jìn)行劃分[4]，設(shè)置邊界條件，本次模擬不考慮其他參數(shù)。

第一步劃分網(wǎng)格，F(xiàn)luent內(nèi)自動(dòng)劃分軟件mesh，可對(duì)模型進(jìn)行精準(zhǔn)地劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量代表了要計(jì)算的區(qū)域范圍，類似于微分方程，劃分的越密集數(shù)量越多，最終的結(jié)論準(zhǔn)確性越高。但是網(wǎng)格數(shù)量過多，對(duì)于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度有較高的要求，增加了計(jì)算量[5]。為了保證較小的計(jì)算量和計(jì)算精度，采用了局部加密的劃分網(wǎng)格方法，網(wǎng)格個(gè)數(shù)為97 019。

3.2 參數(shù)的確定

由于主要研究換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整對(duì)換熱器性能的影響，假定溫度和速度不變。選擇的流速為2 m/s，換熱器進(jìn)氣口端溫度為303 K，出氣口端溫度為293 K。工況A：殼管式換熱器模型中圓形陣列數(shù)為3；工況B：殼管式換熱器模型中圓形陣列數(shù)為4；工況C：殼管式換熱器模型中圓形陣列數(shù)為5。

3.3 模擬研究

根據(jù)工況設(shè)計(jì)邊界參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置運(yùn)算步數(shù)為1 s，每秒運(yùn)算1 000步，下面是通過計(jì)算得到該模擬計(jì)算的三種結(jié)構(gòu)下的收斂殘差圖：

圖1 工況A收斂圖

圖2 工況B收斂圖

圖3 工況C收斂圖

從收斂圖中可以看出，三種工況的收斂性都較好。

下面是計(jì)算得到的該模型的三種結(jié)構(gòu)的速度場(chǎng)圖：

圖4 工況A速度場(chǎng)分布圖

圖5 工況B速度場(chǎng)分布圖

圖6 工況C速度場(chǎng)分布圖

由上圖可以看出，各工況的速度參數(shù)如表1。

表1 三種工況下的速度參數(shù)表

工況最小速度/(m/s)最大速度/(m/s) A2.7611.69 B2.8211.57 C5.5513.38

通過表1可以看出，工況B與工況A相比，差別不大，但是高速區(qū)域，工況B比工況A多；工況C與工況A相比，最小速度與最大速度都有明顯提高。因此圓形陣列的結(jié)構(gòu)改變對(duì)換熱器的速度是有影響的，速度越大，換熱能力越強(qiáng)，換熱效率也越高，圓形陣列的個(gè)數(shù)越多，換熱器的速度就越大。速度隨著圓形陣列個(gè)數(shù)的增加而升高，換熱能力也越強(qiáng)，從而換熱效率也越高。

截取0=0，1=0，2=0，1=0，2=0的這一平面處的云圖來分析。云圖如下圖所示：

圖7 工況A工況某平面溫度場(chǎng)

圖8 工況B工況某平面溫度場(chǎng)

圖9 工況C工況某平面溫度場(chǎng)

根據(jù)溫度圖可以看出，最低溫度為302 K，最高溫度為303 K，工況A中顯示出溫度區(qū)域趨于穩(wěn)定狀態(tài)；工況B中，溫差逐漸變大；而從工況C中可以看出明顯變化。因此，換熱器的結(jié)構(gòu)影響著溫度變化。同時(shí)，它也決定了換熱器的管內(nèi)外的溫差大小，在相同的工況下如果換熱器的溫差越大，其換熱能力也越大。

4 結(jié)論

通過分析三種不同結(jié)構(gòu)換熱器進(jìn)氣管出氣口速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)，圓形陣列出氣口的分布影響著換熱器的換熱能力，出口數(shù)量影響著換熱器的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)，出口數(shù)量越多，換熱器的換熱能力越高，所以在換熱器進(jìn)氣管組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，增加進(jìn)氣口端的出口數(shù)量會(huì)提高換熱器的換熱效果。應(yīng)用Fluent軟件對(duì)化工過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，常需要對(duì)復(fù)雜的邊界條件做一些簡化和假設(shè)，這可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的偏差[6]。為了提高Fluent軟件模擬的精確度和準(zhǔn)確性，還需要加強(qiáng)對(duì)熱交換設(shè)備結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型的分析研究，為熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支撐。

[1] 劉佳杰.換熱器行業(yè)未來發(fā)展趨勢(shì)探析[J].中國市場(chǎng),2016(03):61+ 64.

[2] 孔德霞.高效率熱交換器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].設(shè)備管理與維修,2020(20): 39-41.

[3] 郭空明,師陽,徐亞蘭.工程流體力學(xué)課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)的探索和展望[J].高教學(xué)刊,2021(04):81-84.

[4] 董天飛.管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析[D].長春:吉林大學(xué),2019.

[5] 李衛(wèi)軍.羽毛球館空調(diào)氣流分布數(shù)值模擬及優(yōu)化研究[J].北京:北京建筑大學(xué),2019.

[6] 曹鈺,耿世偉,李滬萍,等.Fluent軟件在化工設(shè)備模擬中的應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2019,36(04):51-57.

Simulation Research of New Type High Efficiency Heat Exchanger

SUN Feng, KONG Dexia, DONG Min

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

This paper uses Fluent simulation software to simulate the structure of the intake pipe assembly of the shell and tube heat exchanger with different structures. The temperature field and velocity field generated by it are analyzed respec- tively, and the heat exchange effect of the heat exchanger is studied.

Fluent software; Shell and tube heat exchanger; Temperature field; Velocity field

U464.333

A

1671-7988(2021)20-163-03

U464.333

A

1671-7988(2021)20-163-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.041

孫鋒（2000—），女，學(xué)生，本科，就讀于山東華宇工學(xué)院能源與動(dòng)力工程專業(yè)，研究方向：能源應(yīng)用。

2020年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：新型換熱器進(jìn)氣裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)（X202013857017）；2019年度德州市市級(jí)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：新型高效率熱交換器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和特性研究。