管殼式換熱器性能的數值研究

諶琪，曹倩文，張怡，張海娟，鄒勇

管殼式換熱器性能的數值研究

諶琪1，曹倩文1，張怡1，張海娟2，鄒勇1

（1. 安徽工業大學 數理學院，安徽 馬鞍山 243000；2. 安徽馬鞍山工業學校 數控系，安徽 馬鞍山 243000）

建立了管殼式換熱器的簡單三維物理模型，利用Fluent軟件對換熱器的工作狀況進行模擬，分別研究了當管殼式換熱器的換熱管形狀和換熱管排列方式改變時，換熱器的換熱率、努塞爾數以及出口處熱流體的溫度波動等相關性能參數的變化．計算結果表明，當換熱管形狀為正方形，排列方式為第2種叉排方式時，換熱器的綜合換熱性能最佳．

管殼式換熱器；換熱管形狀；換熱管排列方式；換熱率；努塞爾數；出口面溫度

隨著現代化工業的飛速發展，圍繞能源這一中心的環境、生態等問題日益突出[1]．世界各國在大力開發新能源的同時，也在積極尋求節約能源的有效途徑．在諸多領域中，先進強化換熱技術的廣泛應用不僅在整個行業中起到節約能源、保護環境、實現可持續發展的作用，而且在極大程度上可以降低個體生產商的投資成本和運營成本[2]．換熱器作為一種熱交換裝置，主要用于促進熱流體將熱量傳遞給冷流體，使流體升溫或降溫，以滿足所需的工藝要求[3]．換熱設備在食品、化工、石油、醫藥、冶金、動力、制冷等其他工業中也得到了廣泛應用，在實際生產中占有重要的地位[4]．在工業生產中，由于工藝要求的不同，換熱器可以通過各種各樣的換熱方式進行熱量交換，如對流體進行加熱、蒸發、冷卻等操作．所以換熱器可以作為加熱裝置、蒸發裝置、冷卻裝置等被應用在工業生產中．特別是近些年來全球頻繁出現的環境能源等問題，讓世界各國對能源危機有了切身的認識和體會，為了在不影響效益的前提下達到有效節能的目的，各國的科技工作者們愈發注重換熱元件的開發和研究[5]．

相對于國外而言，國內開始在換熱器方面進行研究的時間較晚，在經驗和技術上都有所不足，理論及實驗都還需進一步深入研究，尤其是在換熱器的流場分布、溫度變化等方面的研究上，準確的實驗數據仍有待補充和完善．但是國內對于影響換熱器綜合性能的各種因素的研究較為系統和全面．為了強化各種類型換熱器的換熱性能，主要從換熱器內部流體的狀態轉變和換熱器各部分元件參數2個方面進行研究．換熱器的各部分元件參數包括換熱器的管束尺寸大小、管束個數、換熱管排數、管束間距大小、管束排列方式等[6]．在換熱器的應用領域中，管殼式換熱器的應用是最為廣泛的．由于比較容易清洗，易損部件容易更換以及特有的結構等優勢使它幾乎可以適應各種生產環境和工業需求[7-8]．為了滿足不同研究條件下各種類型換熱器性能研究的需要，換熱器的研究方法可以分為數值模擬、理論研究、實驗研究3種[9]．

1 三維物理模型

圖1 換熱器三維物理模型

質量守恒方程

能量守恒方程

動量守恒方程

表1 換熱器結構尺寸及計算工況

2　結果與分析

2.1 換熱管排列方式對換熱器性能的影響

控制換熱管形狀為圓形，半徑=0.7 cm，熱流體速度=0.1 m/s，保持此條件不變，改變換熱管的排列方式，模擬了不同排列方式時換熱器的換熱情況．

換熱管依次為順排、叉排1、叉排2所對應的換熱器中截面上的溫度分布見圖2．換熱管為順排方式時，高溫區域較大，流體經過冷的換熱管后溫度降低，第3列到第5列換熱管之間溫度梯度較大（見圖2a）．換熱管為第1種叉排方式時，流體經過叉排方式的換熱管后溫度下降比順排方式快（見圖2b）．換熱管為第2種叉排方式時，第3列和第6列換熱管上方和下方區域色彩變化在3種溫度云圖里最為明顯，即溫度梯度最大．低溫區部分與叉排1相比較為集中，對應等溫區域也較集中（見圖2c）．

圖2 換熱管不同排列方式下換熱器中截面（=0）的溫度云圖

表2 不同排列方式下換熱器性能參數

圖3 不同排列方式下換熱器出口處溫度分布

2.2 換熱管形狀對換熱器性能的影響

設定熱流體速度為0.1m/s，控制換熱管徑截面面積與半徑為0.7 cm的圓面積相同（即控制流過的冷流體流量相同），研究換熱管形狀分別為圓形、正方形（邊長1.24 cm）、正三角形（邊長1.88 cm）時換熱器的換熱性能．

圖4 換熱管不同形狀下換熱器中截面（z=0）的溫度云圖

對不同形狀的換熱管，換熱器出口處溫度分布情況見圖5．由圖5可知，三角形換熱管的出口面溫度在兩側分布最均勻，中心位置波動最大，圓形管束的出口面各位置的溫度分布均勻程度基本相同，正方形管束的出口處溫度分布曲線與圓形管束大致重合，但在靠近換熱管處均勻程度更差一些.

表3 不同形狀下換熱器性能參數

圖5 不同形狀下換熱器出口處溫度分布

3 結論

本文利用Fluent軟件對不同參數下管殼式換熱器的換熱情況進行了模擬，分別對換熱管在不同形狀和不同排列方式下對應的換熱器的換熱率、努塞爾數、出口溫度的均勻度等參數進行研究，得出結論：（1）在換熱管的排列方式中，以叉排2方式排列的換熱器具有較好的換熱效果；（2）對不同的換熱管形狀而言，正方形換熱管的換熱器換熱性能最佳；（3）換熱效果較弱的換熱器在出口處的溫度波動較小，而換熱效果好的換熱器在出口處溫度波動較大．

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Numerical study on the performance of shell and tube heat exchanger

SHEN Qi1，CAO Qianwen1，ZHANG Yi1，ZHANG Haijuan2，ZOU Yong1

（1. School of Math and Physics，Anhui University of Technology，Ma′anshan 243000，China； 2. Department of Numerical Control，Anhui Ma′anshan Industry School，Ma′anshan 243000，China）

Simple three-dimensional physical models of shell and tube heat exchanger are established，and the working conditions of the heat exchanger are simulated by Fluent software．Heat transfer rate，Nusselt number and temperature fluctuation of the hot fluid at the outlet of the shellandtube exchanger are studied respectively when the shape and arrangement of the heat exchanger are changed．The results show that the heat exchanger has the best comprehensive heat transfer performance when the tube shape is square with the second cross arrangement．

shellandtube exchanger；shape of heat exchange tube；arrangement of heat exchange tubes；heat transfer rate；Nusselt number；exit surface temperature

TK172

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.11.010

1007-9831（2020）11-0041-05

2020-07-05

安徽高校自然基金重點項目（KJ2018A0051）；安徽工業大學教學研究項目（2018jy41）；安徽工業大學省級大學生創新訓練計劃項目（201810360349，201810360351）

諶琪（1999-），女，江西南昌人，在讀本科生．E-mail：1192770637@qq.com

鄒勇（1981-），男，安徽太和人，講師，博士，從事電子設備散熱設計研究．E-mail：zyay2004@163.com