塔釜換熱器的設(shè)計及流場數(shù)值模擬

閆紹峰，趙宇航，高清洪，都業(yè)寬

(遼寧工業(yè)大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

換熱設(shè)備是石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等工業(yè)中普遍應(yīng)用的工藝設(shè)備，用來實現(xiàn)熱量的傳遞，使熱量由高溫流體傳遞給低溫流體。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種不同型式的換熱器大量涌現(xiàn)，筆者在滿足設(shè)計要求的前提下，運用FLUENT軟件對不同速度下的流體進行數(shù)值模擬分析，為換熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供一定的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 設(shè)計參數(shù)與內(nèi)容

1.1 設(shè)計參數(shù)

表1 設(shè)計參數(shù)

1.2 設(shè)計內(nèi)容

(1)設(shè)計方案的確定。換熱器型式的選擇、流程的選擇、流速的選擇、殼體與換熱管材料的選擇、換熱管規(guī)格和排列方式、支座結(jié)構(gòu)選型、法蘭結(jié)構(gòu)選型和封頭結(jié)構(gòu)選型。

(2)工藝設(shè)計計算。計算流體流量、確定換熱系數(shù)、確定換熱管管數(shù)、核算管程與殼程的壓力降和核算總換熱系數(shù)等。

(3)機械設(shè)計計算。筒體壁厚的計算、管箱壁厚的計算、封頭壁厚的計算、開孔補強的計算、法蘭強度的校核、支座強度的校核、管板的計算及校核和安全閥的計算與選用等。

2 設(shè)計結(jié)果

依據(jù)設(shè)計方案以及工藝設(shè)計計算和機械設(shè)計計算，運用CAXA軟件繪制出塔釜換熱器的裝配圖(圖 1)和主要零部件圖(圖 2)。

圖1 塔釜換熱器裝配圖

圖2 塔釜換熱器主要零部件圖

3 數(shù)值模擬及分析

換熱器殼體進口速度分別為1m/s、4m/s和7m/s時，內(nèi)部流場溫度云如圖3所示。從3個圖中可以明顯看出，換熱器內(nèi)部流場整體溫度分布極其不均勻，溫度沿換熱器內(nèi)部流體走向逐漸升高。同時可以看出，隨著流體流速的增加，溫度沿換熱器內(nèi)部流體走向逐漸升高的幅度是減小的。另外，在3個內(nèi)部流場溫度云圖中可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，在折流板的北側(cè)(“死區(qū)”處)會出現(xiàn)溫度比周圍溫度高的區(qū)域，由分析可知，這是由于此處存在流動死區(qū)，這與傳熱學(xué)的理論知識是相符合的。

圖3 v=1m/s～7m/s時的溫度場云圖

換熱器殼體進口速度分別為1m/s、4m/s和7m/s時，內(nèi)部流場速度矢量場如圖4所示。從圖4中可以明顯地看出，由于折流板的存在，流體在殼體內(nèi)呈“Z”字形流動，在折流板的北側(cè)明顯可以看出存在低流速區(qū)，即所謂的“死區(qū)”，另外從3幅圖的速度矢量場的比較可以看出，隨著速度的增大，流體湍動程度是增加的，流體速度為7m/s時的低速區(qū)的范圍是降低的，所有這些模擬結(jié)果與流體動力學(xué)的行為是相符的。

圖4 v=1m/s～7m/s時的速度矢量圖

4 結(jié)論

(1)選擇了適宜的結(jié)構(gòu)方案，對換熱管、折流擋板、支座結(jié)構(gòu)、法蘭結(jié)構(gòu)、封頭結(jié)構(gòu)等進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(2)按照GB150-2011《壓力容器》[1]和GB151-2014《熱交換器》[2]等相關(guān)標準進行強度設(shè)計計算及校核。

(3)根據(jù)計算內(nèi)容繪制出塔釜換熱器裝配圖以及主要零部件圖[3]。

(4)運用FLUENT軟件對塔釜換熱器的流體流動進行了三維數(shù)值模擬，得到了內(nèi)部流場的溫度云圖、速度矢量場圖，為換熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供了一定的數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。