換熱器結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉睿

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720200

摘要：本文通過(guò)UG建模軟件建立了全流路管殼式換熱器流動(dòng)與傳熱模型，模型與實(shí)際換熱器的尺寸相適應(yīng)，利用 Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到速度矢量、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等信息，對(duì)這些信息進(jìn)加以分析以研究流道中流體的流動(dòng)與傳熱，在對(duì)換熱器胡流動(dòng)特性進(jìn)行研究后找到換熱器在換熱工作中存在的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的弊端，接著對(duì)這些結(jié)構(gòu)弊端加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小換熱器中的流動(dòng)損失，提高換熱器的換熱效率。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器；流動(dòng)與傳熱；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)管殼式換熱器在石油、化工、食品、制造、等領(lǐng)域中的使用相當(dāng)廣泛，在高溫高也的換熱大型設(shè)備中更是常見(jiàn)，單弓形折流板管殼式換熱器占整個(gè)換熱器數(shù)量的70%，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)可靠、設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)單、耐高溫高壓、適應(yīng)性強(qiáng)、處理清洗方便等，這些優(yōu)點(diǎn)在產(chǎn)業(yè)節(jié)能上發(fā)揮了很重要的作用，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)的管殼式換熱器傳熱性差、流動(dòng)阻力損失大等缺點(diǎn)的存在使它已經(jīng)不能滿足新的節(jié)能減排形勢(shì)，在這種背景下，提高傳熱效率，減小流動(dòng)阻力損失等對(duì)管殼式換熱器的發(fā)展具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算分析已經(jīng)成為換熱器的研究與設(shè)計(jì)的重要手段，因此，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱數(shù)值進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬仿真計(jì)算結(jié)果的分析，找到管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺點(diǎn)從而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高換熱效率，這對(duì)于管殼式換熱器的發(fā)展具有十分重要的意義。

1 換熱器結(jié)構(gòu)與基本原理

本文采用管殼式換熱器模型作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

管殼式換熱器結(jié)構(gòu)圖

管殼式換熱器的主要組成部分為：管箱、管板、傳熱管、殼體、折流板等，它的基本工作原理是兩種不同溫度的流體分別經(jīng)過(guò)管程和殼程時(shí)，溫度較高的流體通過(guò)換熱器管壁將溫度傳遞給溫度降低的流體，因此溫度較高的流體被冷卻，而溫度較低的流體被加熱，以此來(lái)完成換熱。

2 換熱器流動(dòng)特性仿真模擬

換熱器的流動(dòng)特性仿真數(shù)值模擬采用數(shù)值模擬仿真軟件Fluent進(jìn)行，在通過(guò)UG建模軟件將管殼式換熱器模型建立完成之后，通過(guò)ICEM劃分網(wǎng)格，然后設(shè)定參數(shù)值和邊界條件等等，最后導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算分析，得到管殼式換熱器的速度、溫度、壓力分布圖，通過(guò)這些圖形的分析，找到管殼式換熱器的一些問(wèn)題的根源。磨損腐蝕是由于流體與金屬表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的金屬加速破壞腐蝕，管殼式換熱器的腐蝕是否是磨損腐蝕，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們可以通過(guò)數(shù)值模擬仿真得到管殼式換熱器內(nèi)部的流速圖，將流速圖與換熱器腐蝕情況圖進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)流體流動(dòng)速較大的區(qū)域與腐蝕的區(qū)域基本吻合，這就說(shuō)明了換熱器的腐蝕是磨損腐蝕。其他的一些問(wèn)題通過(guò)數(shù)值模擬也能夠很好的找到問(wèn)題根源所在，因此，對(duì)換熱器的流動(dòng)特性仿模擬是我們進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種較好選擇。

3 換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 添加弓形擋板

針對(duì)流動(dòng)特性仿真模擬中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，我們可以通過(guò)對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到解決問(wèn)題的目的，在仿真模擬中我們發(fā)現(xiàn)，換熱器列管進(jìn)口處的流體速度分布不均勻，這將影響換熱器的換熱效率，為了解決這一問(wèn)題，我們?cè)诹泄苓M(jìn)口處添加弓形擋板來(lái)使進(jìn)口處的流速分布更加均勻。

添加弓形擋板后，重新建立模型，通過(guò)仿真模擬得到新的流速圖，從中可以看到流速分布明顯比沒(méi)有添加弓形擋板的時(shí)候更加均勻，這就使列管進(jìn)口的流速在很大程度上避免的極端流速的出現(xiàn)而影響換熱器的工作效率，也說(shuō)明了換熱器的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)于換熱器的流體流速影響較大，能夠使流體流動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

3.2 改變流體入口位置

將流體入口位置由原本的換熱器上端改到側(cè)面，然后建立新的換熱器模型，再對(duì)新的換熱器模型進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)仿真模擬得到改進(jìn)后的流速分布圖，通過(guò)流速分布圖中的流速分布情況可以看出，將流體入口位置改到側(cè)面后，流速的分布同樣得到了很好的改善，流速分布變得均勻，因此，通過(guò)改變流體入口位置的方法同樣能夠使換熱器列管進(jìn)口處避免極端流速的出現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

管殼式換熱器在實(shí)際應(yīng)用中還有許多不足之處，這些不足之處導(dǎo)致了換熱器的工作效率、使用壽命、安全性等等都有很嚴(yán)重的影響，近年來(lái)對(duì)管殼式換熱器的研究與探討越來(lái)越多，在長(zhǎng)期的研究中發(fā)現(xiàn)了對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)于換熱器的各方面性能有一定的積極作用，通過(guò)本文的研究探討，可以得出以下結(jié)論。

（1）換熱器的腐蝕問(wèn)題作為換熱器研究中的一個(gè)問(wèn)題，我們通過(guò)研究分析，找到問(wèn)題根源，通過(guò)對(duì)換熱器列管入口進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使列館入口的流體流速分布更加均勻，避免了流速過(guò)大導(dǎo)致?lián)Q熱器的磨損腐蝕，從根源上解決了換熱器的腐蝕問(wèn)題。

（2）在換熱器的結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)上，我們采取的是仿真模擬的方法，實(shí)踐證明，仿真模擬對(duì)于換熱器結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的價(jià)值，對(duì)于本文研究的換熱器腐蝕問(wèn)題也起到了非常重要的作用，在換熱器未來(lái)的研究中，仿真模擬將會(huì)繼續(xù)作為一種重要的研究手段和工具，促進(jìn)換熱器更好的發(fā)展。

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