某乙醇冷卻器設計及其CFD分析優化

吳輝 王子繁

摘 要：針對冷卻器普遍具有的密封性差、壓力受限、不耐高溫以及易堵塞等缺點，進行乙醇冷卻器的設計及優化分析。在本次設計中，首先，根據設計要求計算并確定冷卻器的各項數據;其次，根據計算結果設計冷卻器，使冷卻器更符合使用要求與規范，方便應用于工業生產;再次，根據已經設計好的冷卻器在Gambit軟件中建模，將幾何模型導入Fluent軟件中施加邊界條件;最后，對所設計的乙醇冷卻器進行CFD建模，在ANSYS軟件中得到溫度、速度和壓力的分布結果，并進行優化分析。

關鍵詞：乙醇;冷卻器;CFD

乙醇作為一種可再生液體燃料，在提高汽油辛烷值、增加汽油含氧量、減少汽車尾氣中有害物質的排放方面有明顯的優勢，現已成為全球消費量最大的生物燃料，擁有巨大的市場潛力[1]。

冷卻器是國民經濟和工業生產領域中應用十分廣泛的冷卻設備，隨著現代新工藝、新技術、新材料的不斷開發和能源問題的日趨緊張，世界各國已高度重視石油化工深度加工和能源的綜合利用，冷卻器的設計面臨新的挑戰[2-3]。

1?幾何建模及網格劃分

本設計選用列管式冷卻器，熱流體選擇乙醇溶液，冷流體為水。冷卻器中的冷卻水走管程，熱流體出口溫度為? ? ? ?40 ℃、進口溫度為65 ℃，冷流體出口溫度為30 ℃、進口溫度為25 ℃，冷熱流體工作表壓均為0.1 MPa。流速對整個管熱過程影響較大，增大流速可以增大對流給熱系數，降低管道的污垢熱阻，增大總傳熱系數，減小傳熱面積;但流速過大會增加流體的阻力，所以本次設計中流速均較小。考慮到壓力要求不高、冷卻水易結垢及冷卻水流速，本次設計選用25.0 mm×2.5 mm規格的管子。打開Gambit，建立冷卻器的幾何模型，選擇網格劃分命令，然后點擊體網格劃分按鈕，選中需要劃分的體，在下方選擇以Tet/Hybrid圖形的形式劃分體網格，勾選Interval Count，在前方輸入需要劃分的份數（體網格劃分得越細，運算的結果越精確，同時運算量越大，運算的時間也越長），點擊Apple等待體網格劃分完成。

2 CFD優化分析

2.1? 條件施加

設置Z軸方向重力加速度為﹣9.81 m/s2。

完成上述步驟后，激活能量方程及湍流方程。右鍵選擇模型樹節點Models Energy，出現能量方程的對話框，選擇右鍵菜單項On，能量方程就設置成功了（當有傳熱過程，或者有能量添加如化學反應，再或者考慮黏性或摩擦生熱等能量耗散過程時，必須激活能量方程;如果只考慮能量流而不考慮溫度或者能量，就不需要激活）。

由于本次設計的流體為湍流，需要建立湍流模型。雙擊模型樹節點Models Viscous，彈出湍流模型選擇對話框，選擇Realizable K-epsilon（2 equ）湍流模型及Scalable Wall Functions壁面函數，點擊OK按鈕關閉對話框。

雙擊模型樹節點Materials，定義材料。點擊右側面板按鈕Create/Edit，彈出材料定義對話框，選擇材料乙醇，點擊Copy按鈕添加材料乙醇。

再次雙擊模型樹節點Materials，點擊右側面板按鈕Create/Edit，彈出材料定義對話框，先選擇Solid改變形態，再選擇材料不銹鋼，點擊Copy按鈕添加材料。

2.2? 計算結果分析

在Fluent軟件中，如果要進行穩態流場分析，就只能對流體的區域進行分析，所以只需激活包含冷卻器管內流體區域的部件。由于Fluent智能區分流體邊界的強大功能，把沒有施加流體載荷的部分全部當作固體邊界，在設置邊界條件時，只需要設置流體的物性參數以及進出口邊界。因為管內流動介質為乙醇，Fluent軟件自帶的材料庫中沒有該介質，所以需要設置乙醇的密度為760.854 3 kg/m3，運動黏度為0.000 660 373 m2/s，比熱容是2.242 8，導熱系數為0.158 5，進口邊界條件為沿Y軸方向的穩定流速為4 m/s，出口邊界設置成指定出口和入口邊界。因為是在理想化的條件下分析，所以認為管道是光滑的。

受換熱管影響，管內流體的三維流場分布較為復雜，本研究在不知道換熱管流體分布的情況下，對換熱管管程流體分布情況進行簡化分析，包括在沒有換熱管作用下的換熱管管程流場分布、速度分布、壓力分布情況。

2.2.1? 迭代曲線

迭代曲線如圖1所示。由圖1可知，在迭代完成之后，每一條曲線都有波動，但是能源曲線波動較大。可以看出，當流體進入管道時，能源曲線出現過一次波動，隨著流體的流動，能源曲線快速下降，當達到最低值之后，波動回升，然后處在一個水平上上下變化;而epsilon曲線雖然前期沒有太大變化，但是變化的絕對值較大，波動很明顯。

2.2.2? 速度分布

速度分布如圖2所示。由圖2可知，除了管道進出口有細微變化，換熱管內流體速度分布很均勻，沒有較大的變化，但是在管道彎曲處會出現較大變化，是因為彎管處管內流體受到的阻力較大，但可以看出管內流體流速還是較為均勻的;由于殼內流體進出口的影響，當熱流進口時，管道流速變化明顯;當熱流出口時，殼體內部發生速度變化。由此可知，流體流速受阻力的影響較大。

2.2.3? 壓強分布

壓強分布如圖3所示。由圖3可知，管道進出口的位置受到的壓強較大，使管道流場發生了變化。在出口位置，壓強比較小，使管道流場較為平和;流體經過管道中間部位，壓強變化較為復雜，壓力也造成了管道的輕微形變;在流體進口部分，可能是因為流體進口溫度以及壓力的影響，流體對管道造成了壓力。造成這種變化的原因可能是：在管道進出口部分，因為管道接口問題，流體在進出管道時受到阻力，造成兩端管口受到的壓強較大;又由于流體進入管道后，流速較快，造成管道前部分壓力較大，隨著流體的流動，壓力逐漸變小。因此，流體在進入管道時，受到流體壓力影響最大的部位是管口。

2.2.4? 溫度分布

溫度分布如圖4所示。由圖4可知，流體進入管道以及從換熱管出去時，溫度沒有太大變化。管道內流體為冷流，殼體內部流體為熱流，在冷流與熱流相交的壁面，溫度發生了變化。由此可知，管壁受到流體溫度的影響很大。

2.2.5? 渦流黏度分布

渦流黏度變化最大的區域有兩處，第一處是管道彎曲處，第二處是熱流出口處。發生一處變化可能是因為管道彎曲處壓強較大、流速較大，所以渦流黏度較大;同理，熱流出口處渦流黏度較大。由此可知，渦流黏度受到壓強和流速的影響較大。

2.2.6? 湍流渦耗散分布

冷流體進入換熱管后，在沒遇到阻力且湍動能較為平和的狀態下，隨著管道的彎曲，湍流渦耗散也一起變化。在流體進口部分，湍流渦耗散也會受到影響，通過耗散可以監測換熱管內的流體運動，檢測冷卻器的性能。

3 結論

針對25 t/s乙醇冷卻器，展開以下工作并獲得相應結論：

（1）使用ICEM對冷卻器進行建模及網格劃分，完成所有的前處理。

（2）前處理完成后，把模型導入Fluent模塊中完成后處理，導出分析結果圖。由分析結果圖可知，流速和溫度對冷卻器的影響很大，也是造成冷卻器腐蝕的重要原因。因此，在設計冷卻器時，應該重點考慮流體速度和溫度的影響。

（3）流體在管道中消耗較大，阻力太大不利于冷卻器的穩定運作，壓力還是受到很大限制，不耐高溫等。所以，后期冷卻器設計還應該在此基礎上進行改善。

[參考文獻]

[1]馬湘蓉，閆亞嶺，胡申華.正壓下酒精水混合蒸汽在板式冷卻器凝結時的壓降研究[J].熱能動力工程，2019，34（4）：104-110.

[2]李鴻志.甲醇溶液冷卻器的設計計算[J].江西化工，2019（4）：57-59.

[3]孟祥廷，閆偉，王桂華，等.基于CFD的油冷器流動和換熱性能[J].內燃機與動力裝置，2019，36（2）：80-84.