基于CFD技術的某管式換熱器結構改進

張 勇，胡京明，李 航，林城洋，高偉亮，蘇 新

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

列管式換熱器是目前工業中應用最廣的一種過程裝備，主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。常采用普通碳鋼、紫銅或不銹鋼制作。換熱器換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管內流動，最后從封頭另一端的出口管流出，稱之為管程；另一種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，稱之為殼程[1]。

對于列管式換熱器的設計，目前朝著精細、節能、高效傳熱方向發展。隨著計算機硬件水平的提高，計算流體力學（computational fluid dynamics，簡稱CFD）已成為過程裝備設計的先進技術手段[2-4]。應用CFD技術，可從流場角度，以經濟、高效、便捷的方式對其細節結構進行可視化設計[5-7]。為了推廣CFD技術在列管式換熱器設計中的應用，本文采用數值模擬法，在對工程中某小型油-水列管式換熱器進行流場分析的基礎上，針對其原始結構的不足，應用兩組不同形式的折流板進行了結構優化設計，優化后的結構克服了原始結構存在局部過熱的缺陷，其中一種結構還具備沿程阻力損失較小的優點。

1 模型建立

1.1 幾何模型

在工程測量的基礎上，對6063鋁合金機油-水冷列管式換熱器建立了數字幾何模型，并進行了結構簡化，簡化后的幾何模型如圖1所示，其主要幾何參數如表1所示。

圖1 列管式換熱器幾何模型Fig.1The geometric model for shell-tube heat exchanger

表1 換熱器幾何參數Table 1The geometry parameters of heat exchanger

1.2 求解模型

列管式換熱器的能量交換主要是指殼程和管程的換熱，因此不考慮殼體外表面與空氣間的熱交換。CFD計算求解的基本方程采用三維流體守恒通用數學模型[5-7]：

以上式中各變量的物理意義及經驗系數值具體參見文獻[8]，本文從略。

1.3 邊界條件與求解設置

換熱器由兩個相互獨立的流動域組成，由換熱器結構可見其流動為湍流。對此，確定其求解的條件如下：3D定常流，開啟能量方程，采用非禍合求解法的隱式求解算法，設定絕對速度。利用k- RNG（re-normalization group）模型，采用SIMPLE方法求解方程和二階差分迎風差分。根據CFD邊界定義類型和求解模型，輸入的邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件Table 2The boundary conditions

2 結果與討論

根據設定的邊界條件，模擬了換熱管束表面和管板的溫度場、管程和殼程速度流場，所得溫度場云圖和速度流場圖分別如圖2和3所示。

圖2 溫度場云圖Fig.2Temperature field cloud chart

圖3 流線圖Fig.3Flow cloud chart

根據圖2和3所示，冷卻水從入口處進入管程，由于其初動能在封頭域內形成較大渦流，增大了壓力損失，進而在出口處壓力較小，導致出口流速緩慢，影響了換熱器的換熱效果。冷卻水進入封頭域內后，絕大多數的水從底部幾根管子流走，冷卻水在底部幾根管子內流動較快，而在上層部分管子的流動緩慢，甚至沒有流動。這導致圖2中的D點附近出現了較大面積的低溫區，C點區出現較大面積的高溫區。這一結果說明，該換熱器存在明顯的缺陷，應從接管布置位置、封頭結構、進出口位置、流向和殼程內部結構等方面進行優化設計。上述分析已在前期研究[9]中有部分說明，本文從略。

3 結構改進

如前所述，本研究擬從接管布置位置、封頭結構、進出口位置、流向和殼程內部結構等方面對該系統進行結構優化設計。優化措施分為A,B兩組，兩組結構優化均采用對沖的冷卻流接頭方式，采用錐型封頭形式，但A組采用4片內部半圓缺口形式折流板，B組采用4片內部完整圓形折流板。按上述計算方法進行優化后的流場分析，2組優化措施方案的溫度場云圖和流場圖如圖4～6所示。

圖4 管程溫度云圖Fig.4The cloud chart of tube pass temperature

圖5 管程流場圖Fig.5The chart of tube pass flow field

a）方案A

圖6 殼程流場圖Fig.6The chart of shell pass flow field

由圖4可見，采用兩種不同的折流板后，管程外表面溫度分布基本均勻，無局部溫度過熱現象，且A方案的最高溫度比B方案的高出1 K。

由圖5所示管程流場圖可見，方案A的管程流動和管程B的相比，雖相對于原始方案流動較為暢通，但仍在上層部分管子中存在滯留現象。從速度分布上看，B方案不僅整個管程流動順暢，且多數管子流速加快。

由圖6可見，對于殼程的流動，兩組方案無明顯差別。但由于方案A中的流動路徑相對曲折，從而增加了流動沿程阻力損失，故從其流動速度云圖上看，低于方案B。

綜上所述，通過對換熱器的結構進行改進，采用對沖方式和錐形封頭兩種折流板形式均可有效改善換熱器內部溫度的分布情況，避免了局部溫度過高現象。同時，內部管程流動順暢，但從效果上看，B方案優于A方案。

4 結論

通過以上的計算和結果討論，可得如下結論：

1）利用CFD數值仿真技術，可以從流場角度出發對換熱器進行分析，極大地提高了換熱器的設計水平。因而可以將CFD數值仿真技術作為現代過程裝備設計的新計算方式而大力推廣應用。

2）在計算基礎上，針對工程用油-水列管式換熱器在結構上的不足，提出了2組新型折流板，優化后的流場溫度分布趨于均勻，避免了換熱器出現局部溫度過高的現象。

3）采用折流板技術優化流場時，可以采用多種形式，但應綜合考慮其流場沿程的阻力損失和溫度分布的均勻性。本研究中提出的2種優化方案中，采用新型內圓式折流板結構，在保證流場溫度分布均勻的條件下，沿程阻力損失也相對較小，是較佳的改進方案。

當然，基于流場分析的CFD技術在過程裝備設計中的應用，還應進一步加強其試驗研究。

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