管壳式换热器内流体流动动态数值分析

余长军（安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051）



管壳式换热器内流体流动动态数值分析

余长军
（安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051）

摘 要：在现代工业中换热器作为一种主要的热量交换设备具有十分广发的应用。换热器换热效果高低对企业的整个生产效益也有着十分重要的影响。目前应用最为广泛的一种换热器就是管壳式换热器。对于管壳式换热器的研究，通过实验方法具备一定的难度，因此现阶段主要还是通过计算机数值模拟的方法来完成，本文通过改变换热器的内部结构和管束的布置，实现了管壳式换热器的传热特性和流动状态。

关键词：管壳式换热器；工业生产；流动特性

1　管束排列方式对换热器壳程流动的影响

1.1换热器管束排列方式的不同速度矢量场分布

以正三角形排列的换热管，结构非常紧凑，在换热器中，流体进入设备之后，换热管的充分接触，使得拥有了足够大的有效传热面积，相对应的流速也就变大了，从而流体的湍流运动得到了加强，进而促使其换热性能得到了加强［1］。以正方形排列的换热管束，换热管束排列非常整齐，各个管束之间呈直线排列，流体流动较快，不具备明显的湍流作用，进而导致其换热效率也比较低。对于转角正三角形排列形式，形成了一种顺排形式的管束，当流体流速得到了降低，同时又由于流体与管束接触的不充分，导致了其接触面积的缩减；转角正方形排列，内部换热管错综分布，使得冷流体与管束的接触更加充分，但流速比较低，而且湍流效果也不是很明显。

1.2换热管束不同排列方式压力场分布分析

四种换热管束不同换热方式压力场分布示意图如下所示：

图1　换热管束不同排列方式的压力场分布示意图

从上图可知，在冷流体刚刚从入口端进入换热器与换热管束接触时，这一刻流体的压力是最大的［2］。从政三角形分布图来看，由于换热管束分布密集而管束之间空间比较小，因而流体经过这一流域克服阻力所需要的能量就比较大，从而导致了明显的压力版画；相比正三角形排列压力变化，转角三角形变化较小，正方形与转角正方形的压力变化同样不是很大，但正方形排列相比转角正方形要明显。

1.3换热管束不同排列的壳程温度分布

由于同时受到了管壳换热器的管程结构和流体传热性能的综合影响，其温度场分布也是十分的不均匀，特别是在一些流量比较小的场合。具体换热温度的大小还受到了流体流动方式、流体速度、换热管间距以及流体与换热管接触面积大小等多项因素的影响。在上述四种排列方式中，排列最为紧凑的为正三角形，其中换热管与流体的接触面积也是最大的，换热效果也是最好的，转角三角形相比正三角形流体速度比较低，而且由于在内部出现了顺排管束，导致流体流程得到了缩减，换热效果也就没有正三角形好；而正方形排列形式，其整体换热效果是最差的，这也是由于其管束的整齐排列减小了流体的流动阻力，而且流体与换热管输的均匀的接触面积及均匀的温度变化等多项因素综合决定的；转角正方形同正方形排列形式相比，由于内部存在转角，使得流体扰流在通过换热管束的过程中，受到的阻力得到了明显的加强，有效增大了流程，使其换热效果要明显强于正方形排列形式。

2　折流板间距对壳程流动的影响

折流板其实就是在换热器中用来改变流体流动方向的重要装置，折流板间距对于换热器的换热效果以及壳程流动具有重要的影响。

2.1折流板间距变化对换热效果的影响

在换热器中，冷流体由入口端进入换热器，最先与换热管束接触，折流板的存在就是实现流体对于换热管束的横向冲刷，促使流体状态的改变，使流体在管束空隙中呈现出一种错流传热的特点［3］；折流板还具有增强流体湍流效果的作用，增大流速，达到一种良好的换热效果。在换热器壳程的中心线方向，由于折流板对于流体的阻碍作用，促使流体在换热器内部呈“Z”形流动，同时存在于折流板和流体主流速度的夹角也是比较小的，在折流板前侧，随着流体的冲刷会形成一较大的速度梯度，而在折流板的背部，流体流速明显较小；通过试验可得不同折流板间距下的流体速度矢量图如下2所示。

图2　折流板间距分别为200MM、240MM、300MM、350MM的速度矢量图

2.2折流板间距对壳程压力的影响

在流体进入换热器过程中，由于进出口尺寸比较小而换热器内部空间比较大，所以，流体的压力降也主要出现在了流体进入和流出换热器的部位。在换热器内部，如果其他各影响因素均不变，只是受到折流板的影响，那么压力降就也只是集中在了折流板的尺寸上，通过对四个不同尺寸的折流板换热器进行对比分析，最终得出：在换热器进出口所发生的压力降随着折流板间距的不断增大而不断减小。

2.3折流板间距对壳程温度场分布的影响

通过计算模拟得出具有不同折流板间距的换热器温度场云图，可以发现，在每一块折流板的背侧都会出现传热死区，这一现象也是当前应用最为广泛的弓形换热器的一大弊端。在流体通过折流板区域时，温度场变化是比较均匀的，在折流板背部出现的死区数量会随着折流板间距的增大，但在错流区的死区区域却随着折流板间距的增大而不断增大，对换热器的换热效果带来了严重的影响。因此可以得出结论：在一定范围内，换热器折流板的间距是越小越好的，随着折流板间距的增大，导致壳程流体的速度降低，致使换热器的换热量也明显减少，从而使得换热器换热效率大幅度下降；同时，折流板间距对换热器的性能系数也有着重大的影响，一般情况下，换热器性能系数随着折流板间距的变小而呈现出一种下降趋势，虽然间距的变小，有效地提高了流体的速度，同时也增强流体的湍流强度，使得换热管束与流体的接触更加充分，提高了换热器的换热效率，但壳程压力值也明显上升，使得在换热器进出口的压降范围更大，因此，换热器的总体性能随着折流板间距的缩小而降低。

3　结束语

管壳式换热器作为现代工业应用最为广泛的一种换热设备，加大对其换热效率影响因素的研究，进而实现其换热效率的不断提高，对于提高企业生产效率及经济效益具有重要的意义。本文通过软件计算计算了不同管束的温度场分布和压力场分布，分析了影响传热效率的主要因素，对日后换热器相关设计及应用提供了重要的指导作用。

参考文献：

［1］吴金星，王定标，魏新利，刘宏. 管壳式换热器壳程流动和传热的数值模拟研究进展［J］. 流体机械，2002（05）:28-32.

［2］付磊，曾燚林，唐克伦，贾海洋. 管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟［J］. 压力容器，2012（05）:36-41.

［3］孙立勇. 管壳式换热器壳程流动与传热的研究［D］.大庆: 东北石油大学，2014.

（责任编辑：张时玮）

中图分类号：P335+.2

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.077

文章编号：1672–7304（2016）01–0166–02

作者简介：余长军（1970-），男，安徽合肥人，讲师，研究方向：工程热物理。

Numerical analysis of fluid flow in a shell and tube heat ex changer

YU Chang-jun
（Anhui Electrical Engineering Professional Technique College， Hefei Anhui 230051）

Abstract:For the study of heat ex changer tube and shell heat ex changer， through experimental methods have a certain degree of difficulty， so at this stage mainly through computer numerical simulation method to complete. In this paper， the changing the arrangement of the internal structure and tube bundle of heat ex changer， the heat ex changer of heat transfer and flow state of shell and tube heat ex changer.

Key words:Shell and tube heat ex changer； industrial production； flow characteristics