管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數值模擬研究

吳昊鵬

摘要：本次研究中，筆者通過ANSYS NX8.5建模軟件建立了全流路管殼式換熱器流動與傳熱模型，模型與實際換熱器的尺寸相適應，利用ANSYS Fluent18.1數值模擬軟件對管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱進行數值模擬計算，通過數值模擬計算得到速度矢量、溫度場、壓力場等信息，并對這些信息進加以分析來探索流道中流體的流動與傳熱規律。

關鍵詞：管殼式換熱器；殼程流體；數值模擬；流動與傳熱

傳統的單弓形折流板管殼式換熱器在石油、化工等領域中的使用占據主導地位，單弓形折流板管殼式換熱器占整個換熱器數量的70%，其具有許多優點，如結構可靠、設計與制造簡單、耐高溫高壓、適應性強、處理清洗方便等，這些優點在產業節能上發揮了很重要的作用，但是隨著時代的發展，傳統的單弓形折流板管殼式換熱器傳熱性差、流動阻力損失大等缺點的存在使其已經不能滿足新的節能減排形勢。隨著計算機技術和CFD的發展，數值模擬計算分析已經成為換熱器的研究與設計的重要手段，因此，本文采用數值模擬的方法對管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數值進行研究。

1 幾何模型構建與工藝條件

本文研究對象采用的是單弓形折流板管殼式換熱器模型，它的幾何結構如圖1所示，模型的主要參數如下：殼體φ115 mm×6.5 mm×1012 mm；換熱管 19 mm×φ12 mm×3 mm；導流筒φ92 mm×1 mm×120 mm；折流板直徑、間距和數目：φ100 mm×100 mm×5 mm；殼程接管φ32 mm×2.5 mm；折流板圓缺比例 25%；管程介質為飽和水蒸氣，殼程介質為冷卻水。

通過Fluent軟件的計算得到折流板管殼式換熱器的速度矢量圖。殼程中的折流板將殼程流道分成了許多錯流區，殼程流體通過折流板的折流作用后，形成了復雜的繞流，折流板之前的區域流體流速較大，傳熱效果明顯；在折流板的背面，流體的流動為渦流，因此流體流動的速度較慢，換熱效果差，這個區域流動特性是造成換熱器的傳熱系數小、傳熱效率低的原因之一。

2.2 換熱器溫度場分析

通過Fluent軟件的計算得到折流板管殼式換熱器的流場溫度分布圖，如圖2所示。

通過溫度分布圖可以看出：

在殼程流體進口處的附近區域溫度較高，且入口端的溫度梯度較大，因此入口端區域為換熱器換熱最強烈的區域，殼程溫度的變化受到折流板的影響而呈現出“Z”字形的變化趨勢，并且由入口端開始，溫度變化的梯度越來越小。

2.3 換熱器壓力場分析

通過Fluent軟件的計算得到折流板管殼式換熱器的流場壓力分布圖，通過壓力分布圖可以看出：殼程流體壓力降低的梯度較管程流體更大，殼程流體在進出口處壓力降低明顯，這種明顯的壓降也體現在折流板的圓缺處，殼程流體壓力損失大，能量損耗高。

3 結論

對傳統的單弓形折流板管殼式換熱器進行了數值模擬研究，通過計算得到換熱器的速度矢量圖、溫度分布圖、壓力分布圖，通過對這些圖的分析，對換熱器的傳熱效率低、傳熱系數小等問題的作了進一步的研究，對傳統換熱器的改進有一定的意義，同時也說明數值模擬計算對于換熱器的研究有重要的價值。

參考文獻：

[1]欒艷春，陳義勝，龐赟佶.基于Fluent的管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數值模擬[J].化工裝備技術，2015，（05）：913.

[2]孫立勇.管殼式換熱器殼程流動與傳熱的研究[D].東北石油大學，2014.