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

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

文章利用Fluent模擬軟件對殼管式熱交換器不同結構的進氣管組件結構進行了模擬，分別對其產生的溫度場、速度場等進行分析，研究其對熱交換器的換熱效果產生的影響。

Fluent軟件；管殼式熱交換器；溫度場；速度場

1 市場需求

隨著我國由動力設備生產大國向生產強國的過渡和國家對節能環保要求的提高，社會對制冷空調設備的節能化要求也越來越高。熱交換器在化工、石油、動力、食品及其他許多工業生產中占有重要地位，在化工生產中，熱交換器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用十分廣泛[1]。石油、化工行業是熱交換器最主要的應用領域，約占30%的市場份額，電力和冶金兩大行業約占16%的市場份額，集中供暖和制冷空調行業約占8%的市場份額，船舶行業約占8%的市場份額，機械行業在汽車、工程機械、農業機械中應用占8%的市場份額，此外，在食品、醫藥等領域，熱交換器用量也較大。按照機械工業聯合會的預測，2010年至2020年期間，我國熱交換器產業將保持年均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算流體動力學軟件，在國內也是使用最為廣泛的計算流體動力學軟件[3]。它可用于模擬各種復雜工況下的流體狀態，分析其流動以及熱傳導的數值模擬軟件，該軟件可以自動生成各種形狀，具有以下優點：

（1）穩定性好：經過大量實驗證明，該軟件具有良好的工作穩定性，能夠準確計算出結果，同實驗符合較好。

（2）適用范圍廣：不一樣的流體物質，不一樣的流動方式，所需要的參數設置和計算方法大不一樣。無論是湍流模型、層流模型，還是多相流模型與物質反應模型，該軟件都能完成，既節約了科研人員的精力，又可實現跨學科協助。

（3）高效省時：每一個子軟件之間不僅可以進行數據互換，而且處理工具做到了統一，省去了繁瑣的編程及重復處理，減少低效、重復的勞動。

（4）精度高：表現在對模擬狀況的還原程度高，可以做到模擬結果及時實測結果，保障了工程的順利完成。

3 流場分析

3.1 換熱器模型建立

本次模擬所創建的幾何模型為簡易殼管式換熱器，通過Fluent軟件創建物理模型，運用Meshing網格對殼管式換熱器進行劃分[4]，設置邊界條件，本次模擬不考慮其他參數。

第一步劃分網格，Fluent內自動劃分軟件mesh，可對模型進行精準地劃分網格。網格數量代表了要計算的區域范圍，類似于微分方程，劃分的越密集數量越多，最終的結論準確性越高。但是網格數量過多，對于計算機運算速度有較高的要求，增加了計算量[5]。為了保證較小的計算量和計算精度，采用了局部加密的劃分網格方法，網格個數為97 019。

3.2 參數的確定

由于主要研究換熱器內部結構的優化調整對換熱器性能的影響，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為3；工況B：殼管式換熱器模型中圓形陣列數為4；工況C：殼管式換熱器模型中圓形陣列數為5。

3.3 模擬研究

根據工況設計邊界參數進行計算。設置運算步數為1 s，每秒運算1 000步，下面是通過計算得到該模擬計算的三種結構下的收斂殘差圖：

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。

下面是計算得到的該模型的三種結構的速度場圖：

圖4 工況A速度場分布圖

圖5 工況B速度場分布圖

圖6 工況C速度場分布圖

由上圖可以看出，各工況的速度參數如表1。

表1 三種工況下的速度參數表

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。因此圓形陣列的結構改變對換熱器的速度是有影響的，速度越大，換熱能力越強，換熱效率也越高，圓形陣列的個數越多，換熱器的速度就越大。速度隨著圓形陣列個數的增加而升高，換熱能力也越強，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

圖8 工況B工況某平面溫度場

圖9 工況C工況某平面溫度場

根據溫度圖可以看出，最低溫度為302 K，最高溫度為303 K，工況A中顯示出溫度區域趨于穩定狀態；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，換熱器的結構影響著溫度變化。同時，它也決定了換熱器的管內外的溫差大小，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 結論

通過分析三種不同結構換熱器進氣管出氣口速度場、溫度場的分布情況，可以發現，圓形陣列出氣口的分布影響著換熱器的換熱能力，出口數量影響著換熱器的溫度場與速度場，出口數量越多，換熱器的換熱能力越高，所以在換熱器進氣管組件的結構設計時，增加進氣口端的出口數量會提高換熱器的換熱效果。應用Fluent軟件對化工過程進行數值模擬時，常需要對復雜的邊界條件做一些簡化和假設，這可能導致計算結果與實際結果存在一定的偏差[6]。為了提高Fluent軟件模擬的精確度和準確性，還需要加強對熱交換設備結構和計算模型的分析研究，為熱交換設備的結構優化提供理論支撐。

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

[2] 孔德霞.高效率熱交換器結構優化[J].設備管理與維修,2020(20): 39-41.

[3] 郭空明,師陽,徐亞蘭.工程流體力學課內實踐教學的探索和展望[J].高教學刊,2021(04):81-84.

[4] 董天飛.管殼式換熱器結構設計與性能分析[D].長春:吉林大學,2019.

[5] 李衛軍.羽毛球館空調氣流分布數值模擬及優化研究[J].北京:北京建筑大學,2019.

[6] 曹鈺,耿世偉,李滬萍,等.Fluent軟件在化工設備模擬中的應用[J].化學工業與工程,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，學生，本科，就讀于山東華宇工學院能源與動力工程專業，研究方向：能源應用。

2020年度大學生創新創業訓練計劃項目：新型換熱器進氣裝置優化設計（X202013857017）；2019年度德州市市級研發計劃項目：新型高效率熱交換器結構優化和特性研究。