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摘要：通过合理简化，建立管壳式换热器的实体模型，利用计算流体力学软件Fluent对换热器内部壳程流体流动与换热进行数值模拟，得到壳程流体流动的温度场、速度场、压降分布图等。根据模拟结果，深入认识换热器内部壳程流体流动情况。
关键词：管壳式换热器；Fluent；数值模拟
Abstract：Through reasonable simplification，the solid model of shell-and-tube heat exchanger is established，and the shell-side flow and heat transfer in heat exchanger are simulated by CFD software Fluent. The temperature field，velocity field and pressure drop distribution of shell-side fluid flow are obtained. According to the simulation results，the fluid flow in shell side of heat exchanger is deeply understood.
Key words：Shell-and-tube heat exchanger Fluent numerical simulation
换热器作为一种在石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等行业使用的通用设备，在生产中占有重要地位。它通过在不同温度的两种或两种以上流体间实现热量传递，使热量由较高温度的流体传递给低温度流体，流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要。近年来，基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长，到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。
按功能不同，换热器可作为加热器、换热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等；按结构不同，换热器可分为浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。其中管壳式换热器具有制造简单、维护方便、适应性强、处理量大、工作可靠、能适应高温高压等优点，占国内换热器市场的70%左右，是应用最为广泛的一种换热设备。随着各类化工生产装置不断大型化、精细化发展，换热器也不断趋于大型化和精细化，对设备的使用寿命，换热效率的要求也越来越高。所以，利用分析软件对换热器内流体的流动与换热过程的模拟将有助于我们更好的了解设备内部流体的运行情况，更有利于我们分析和设计该类设备。[1]
研究流体流动主要有计算流体力学和实验流体力学两种手段。由于流体流动的基本方程中速度、温度、压力耦合，难以获得解析解。特别是在管壳式换热器中，流体流动形式为湍流，且实际应用中换热管数量多，更是加大了计算难度，通过计算获得解析解几乎是不可能，所以大家主要依靠流体实验作为基本研究方法，但试验结果又受实验设备精度、实验人员不同操作水平等诸多因素影响，且费用相对较高，这两种方法都有一定的局限性。随着计算机软件的迅速发展，以计算机仿真模拟技术、先进流体测量技术等为代表的现代研究设计方法，已经成为传热研究中观察显示物理特性的强有力工具，极大地促进了换热器技术的深入研究和新型换热设备的开发应用。利用软件进行数值模拟具有投入少、劳动强度小、周期短并且精度高等优点，且可以选择不同流动参数进行各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较，有较大的灵活性，已成为换热器研究的一种重要手段。
本文通过合理简化，建立管壳式换热器实体模型，利用Fluent软件从整体结构上研究换热器壳程流体的流动和传热特性。具体步骤如下：
1）模型简化；
2）建立模型实体；
3）划分网格；
4）设定参数和边界条件；
5）计算，结果分析。
1.模型的建立
1.1模型的简化
为了方便Fluent软件进行分析计算，减少运算量，与一般的管壳式换热器相比，对模型进行了适当的简化。这次模拟的换热器采用单管程、单壳程结构，壳体Φ219mm×5mm，换热管根数为22，以正三角形排布，长度为1000mm。折流板为单弓形，其切高为25%的圆筒内直径。换热器内折流板的数目为5个，每相邻两块折流板间距为150mm。图 为利用 画出的换热器内部的实体模型。
图 导入Gambit模型示意图
将Pro/Engineer画出的换热器实体模型导入Gambit，创建其网格模型，Gambit是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学模型的一个软件包。由于模型是轴对称结构，为了减少总网格数量、提高计算速度，可以从模型的轴对称面处截开，取一半模型进行模拟计算，截面采用对称边界条件即可。上图2显示了换热器模型导入Gambit后折流板、换热管等和壳体的相对位置示意图?。
1.2网格划分与参数设定
将换热器模型导入Gambit后，就要将模型进行网格划分用于计算。在划分网格时，换热器的流体进出口与壳体的交接处及单弓形折流板处的结构相对复杂，网格划分采用四面体结构，而壳体其他位置结构比较简单，采用六面体进行网格划分。
将画好网格的模型导入Fluent，进行模拟条件及边界条件的设定，计算过程中采用离散求解器和k-ε湍流模型。以我厂制造的一台浓硫酸冷却器为例，壳程流体选用98%浓硫酸，通过换热软件Aspen HTFS+计算可得出98%浓硫酸在相应温度下的物性参数，流体采用速度进口，设定初始速度为0.8m/s，初始温度为60℃（333K），换热管管壁设为恒壁温30℃（303K）；出口设定为压力出口，压力值为0Pa（表压）。壳体壁面、接管壁面、各折流板面和两侧管板均设为绝热面边界条件；压力和速度耦合采用SIMPLE算法，动量、能量以及湍流参量的求解采用二阶迎风差分格式（Second order upwind）[2]。采用标准化残差的形式来判断计算方程的收敛性，连续性方程、动量方程及k、ε方程的残差精度设为10-3，能量方程的残差精度为10-6。
2.结果与分析
完成相关设置后，经Fluent软件进行迭代计算，迭代250次左右时，计算收敛，进行其残差曲线分析后得到换热器壳程流体流动和换热特性数据如下：
图4 壳程流体温度云图
本次模拟中，设定换热管的温度恒定为30℃（303K），浓硫酸的进口温度为60℃（333K），壳体壁面和阴极壁面采用不可渗透、无滑移绝热边界，所以换热面积仅仅为流体与换热管接触的面积，即：，其中n为换热管根数，为换热管外径，为换热管长度。由图4中可以看出，整个换热过程，浓硫酸的温度从60℃（333K）下降到了57℃（330K），冷却了3℃，温度沿着壳程流向逐渐减小，且基本呈现线性变化。
图中还可以看出，在越过每一块折流板后，都存在着一小块流体相对低温区域，因为这块区域内的流体基本处于静止状态，一直与换热管发生热交换。在最后一块低温区域，流体的温度已低于出口处的温度，所以在结构设计时，应该尽量让流体出口靠近最后一块折流板，已获得更好的冷却效果。
图5 壳程流体壳体面速度矢量场示意图
图7 壳程流体中性面处速度矢量场局部示意图
图7为图6的局部部位放大图，显示了两块折流板后的流动情况。可以看出：流体高速流过折流板后，速度开始下降直到到达下一块折流板的缺口处。在紧靠折流板位置的下游区，出现了同样类似漩涡的流动死区。同时在折流板两侧与壳壁面接触处的很小范围内，流体流速很小，几乎处于停滞状态，出现了流动死区，流动死区处的流体基本上处于静止状态，传热面积不能充分利用，导致此处的壳程流体换热效果很差，继而影响了整个设备的换热。
图9 壳程流体某一截面处流体速度矢量图
图9中左图为流体在x-z平面上的速度矢量图，右图为该截面上速度矢量在y方向上的投影。图中可以清晰地看到，壳程流体在沿轴线方向且绕折流板进行S形流动的同时也有部分流体进行螺旋形流动，使流体在绕流换热管的同时向流动方向运动。螺旋形流动的存在使得壳程流体混合剧烈，加强了换热管近壁面处流体的扰动，增大了热扩散率，推动了流体的混合。剧烈的螺旋流动也可以有效地减薄流体与壳体内壁和换热管外壁边界层，尤其是黏性底层的有效厚度，从而使壳程流体的传热膜系数提高，一定程度上达到了强化传热的作用。同样，图中还可以看到，流体在横向绕过换热管后，会在换热管的后侧形成卡曼涡街，这是流体诱发管束振动的一个原因。
3.结论
本文以接触到的常用的管壳式单弓形折流板换热器为研究对象，通过对折流板换热器的壳程流体流动和换热的数值模拟，得到了壳程流体的温度矢量场、速度矢量场以及流体沿轴向流动的质点迹线图等。由模拟结果可以得出：
1）流体在换热器进口和出口处会产生较大的压降，越过每块折流板后会产生基本相同的压降。
2）由于折流板的插入，流体绕过折流板，在其后会形成相对低温区，特别是在最后一块折流板后，低温流体已经低于出口流体温度，所以出口处因尽量靠近最后一块折流板区域。
3）折流板折流作用使得壳程流体流动过程中产生了一些流动死区，死区处传热面积不能充分利用，影响了换热效率。
4）折流板的插入使得壳程流体流动的形式发生了很大地改变，产生了S形流动和附加螺旋形流动，使得壳程流体湍流剧烈，增大了热扩散率，推动了流体的混合。
在用数值模拟这种研究方法对换热器进行研究时，根据需要，可以得到任意特定部位处的热交换的工作状场图，进而可以清晰直观地观察到特定部位处的流体热交换细节。为我们对管壳式换热器的研究、设计开发提供了有效的手段和工具，对设计制造具有一定的指导意义。
参考文献：
[1] 钱颂文.换热器设计手册[M].化学工业出版社，2006.
[2] 刘磊，宋天民，管建军.基于FLUENT的管壳换热器壳程流场数值模拟与分析[J]．轻工机械，2012（1）：18－21．
论文作者:吴林,陈臣
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/30
标签：流体论文; 换热器论文; 管壳论文; 模型论文; 换热论文; 温度论文; 网格论文; 《防护工程》2019年第4期论文;