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管壳式换热器壳程流动传热数值模拟

机械与动力工程学

问题描述

一工业用换热器，功能是加热壳程介质。管程流体为上一工段的高温废液。近似认为废液在管内流动时，管壁温度恒定。

2．软件环境

表1软件环境

前处理软件

计算软件

后处理软件

ANSYS-Fluent15.0

Fluent15.0

其他软件如截图工具，图片编辑软件等不逐一列举。

3．模型建立

表2换热器几何参数

参数

取值

参数

取值

参数

取值

壳体直径/mm

250

换热管直径/mm

25

折流板数量/块

4

壳程进出口直径/mm

100

换热管中心距/mm

32

折流板间距/mm

400

进出口长度/mm

100

换热管根数/根

40

折流板厚度/mm

10

折流板尺寸依据GB151选取。

在gambit中建立壳程流体的水力模型，建模时进行必要的简化，忽略折流板和壳体之间的间隙，忽略定距管和拉管。

从观察中可以看出管壳式换热器是左右对称的装置，为了减少计算的时间，提高工作的效率，可以去对称的一半进行计算，然后由软件处理得到结果。

图1几何模型

4．网格划分

网格总数1649730。折流板之间的流动区域选用非结构化网格，以便于网格划分。

网格质量检查复合要求。

图2网格模型

由于本文只需得到壳程的大致流动情况，不要要精确解，因此为了节约网格划分工作量，没有划分边界层网格。

图3网格局部放大

5．边界条件设置

表3边界条件设置

边界

类型

热能

边界

类型

热能

壳体外外表

Wall

绝热

折流板外表

Wall

绝热

进口

Velocity-inet

300K

管板

Wall

绝热

出口

Outflow

\

分割面

Interior

\

换热管壁

Wall

370K

进口流速取2m/s，分别取壳程走空气和水两种介质，比拟壳程流体对传热的影响。

翻开能量方程；湍流模拟采用k-ε方程；迭代求解方法默认。

6．计算结果

当壳程走水时，出口温度为323K，温度升高了25℃。

图4壳程走水时温度分布

图5壳程走水时流速分布

图6壳程走水时折流板处的回流

当壳程走空气时，出口温度为378K，温度升高了65℃。与管壁温度一致。

图7壳程走空气时温度分布

图8壳程走空气时流速分布

图8壳程走空气时折流板处的回流

从两种流体的比照可以看出，由于空气和水的粘性都很小，所以两者的流动状态并没有显著差异，回流区的位置和大小也根本一直。因此可以说明，当入口速度一致时，在低粘度，不考虑重力的前提下，流体的性质对换热器壳程内流速分布的影响可以忽略。

另外从加热效果的角度讲，虽然壳程走空气时出口温度比拟高，但空气的密度低，比热低，因此实际上带走的管程热量只有壳程走水时的千分之一。因此如果要提高能量利用率，并且壳程必须走空气时，可以采用先将空气压缩，再通入换热器的方法，以提高能利用率。

另外虽然空气的导热系数比水少一个数量级，但是出口温度依然比拟高，可见预测有热源流体的温度，不能单一地依据导热系数，还应该综合考虑比热，密度等性质的影响。

7．结论

当入口速度一致时，在低粘度，不考虑重力的前提下，流体的性质对换热器壳程内流速分布的影响可以忽略。

壳程必须走空气时,可以采用先将空气压缩，再通入换热器的方法，以提高能利用率。

预测有热源动流体的温度，不能单一地依据导热系数，还应该综合考虑比热，密度等性质的影响。

8．参考文献ADDINNE.Bib

[1]张之东.管壳式换热器内部三维流场数值模拟[D].河北科技大学,2012.

[2]戈锐.管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究[D].哈尔滨工程大学,2011.

[3]王明军.管壳式换热器的数值模拟与优化设计[D].中南大学,2011.

[4]周俊杰.FIUENT工程技术与实例分析[D].中国水利水电出版社,2010.