DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720200

摘要：本文通過UG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(yīng)，利用 Fluent數(shù)值模擬軟件對管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱進行數(shù)值模擬計算，通過數(shù)值模擬計算得到速度矢量、溫度場、壓力場等信息，對這些信息進加以分析以研究流道中流體的流動與傳熱，在對換熱器胡流動特性進行研究后找到換熱器在換熱工作中存在的結(jié)構(gòu)設(shè)計上的弊端，接著對這些結(jié)構(gòu)弊端加以優(yōu)化設(shè)計，以減小換熱器中的流動損失，提高換熱器的換熱效率。

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

傳統(tǒng)管殼式換熱器在石油、化工、食品、制造、等領(lǐng)域中的使用相當廣泛，在高溫高也的換熱大型設(shè)備中更是常見，單弓形折流板管殼式換熱器占整個換熱器數(shù)量的70%，它具有許多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)可靠、設(shè)計與制造簡單、耐高溫高壓、適應(yīng)性強、處理清洗方便等，這些優(yōu)點在產(chǎn)業(yè)節(jié)能上發(fā)揮了很重要的作用，但是隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的管殼式換熱器傳熱性差、流動阻力損失大等缺點的存在使它已經(jīng)不能滿足新的節(jié)能減排形勢，在這種背景下，提高傳熱效率，減小流動阻力損失等對管殼式換熱器的發(fā)展具有重要意義。隨著計算機技術(shù)和CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬計算分析已經(jīng)成為換熱器的研究與設(shè)計的重要手段，因此，本文采用數(shù)值模擬的方法對管殼式換熱器殼程流體流動與傳熱數(shù)值進行研究，通過對數(shù)值模擬仿真計算結(jié)果的分析，找到管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計缺點從而對其進行優(yōu)化設(shè)計，提高換熱效率，這對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)過管程和殼程時，溫度較高的流體通過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，以此來完成換熱。

2 換熱器流動特性仿真模擬

換熱器的流動特性仿真數(shù)值模擬采用數(shù)值模擬仿真軟件Fluent進行，在通過UG建模軟件將管殼式換熱器模型建立完成之后，通過ICEM劃分網(wǎng)格，然后設(shè)定參數(shù)值和邊界條件等等，最后導入Fluent中進行計算分析，得到管殼式換熱器的速度、溫度、壓力分布圖，通過這些圖形的分析，找到管殼式換熱器的一些問題的根源。磨損腐蝕是由于流體與金屬表面的相對運動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，針對這個問題，我們可以通過數(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行對比后發(fā)現(xiàn)流體流動速較大的區(qū)域與腐蝕的區(qū)域基本吻合，這就說明了換熱器的腐蝕是磨損腐蝕。其他的一些問題通過數(shù)值模擬也能夠很好的找到問題根源所在，因此，對換熱器的流動特性仿模擬是我們進行換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一種較好選擇。

3 換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 添加弓形擋板

針對流動特性仿真模擬中出現(xiàn)的一些問題，我們可以通過對換熱器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以達到解決問題的目的，在仿真模擬中我們發(fā)現(xiàn)，換熱器列管進口處的流體速度分布不均勻，這將影響換熱器的換熱效率，為了解決這一問題，我們在列管進口處添加弓形擋板來使進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有添加弓形擋板的時候更加均勻，這就使列管進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，也說明了換熱器的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對于換熱器的流體流速影響較大，能夠使流體流動狀態(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，再對新的換熱器模型進行仿真模擬，通過仿真模擬得到改進后的流速分布圖，通過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，通過改變流體入口位置的方法同樣能夠使換熱器列管進口處避免極端流速的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

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

（1）換熱器的腐蝕問題作為換熱器研究中的一個問題，我們通過研究分析，找到問題根源，通過對換熱器列管入口進行重新設(shè)計，使列館入口的流體流速分布更加均勻，避免了流速過大導致?lián)Q熱器的磨損腐蝕，從根源上解決了換熱器的腐蝕問題。

（2）在換熱器的結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化設(shè)計上，我們采取的是仿真模擬的方法，實踐證明，仿真模擬對于換熱器結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計具有重要的價值，對于本文研究的換熱器腐蝕問題也起到了非常重要的作用，在換熱器未來的研究中，仿真模擬將會繼續(xù)作為一種重要的研究手段和工具，促進換熱器更好的發(fā)展。

參考文獻：

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