基于FLUENT的管壳式换热器的模拟研究

鞠彩霞，李凤刚，郑奉斌，董凯

(枣庄学院 化学化工与材料科学学院，山东 枣庄 277160)

1 绪论

管壳式换热器又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器.这种换热器结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢；但传热系数低、占地面积大，广泛应用于化工、炼油、动力、轻功、食品、原子能等各个领域，是目前应用最广泛的类型[1-5].

近年来计算流体力学(CFD)软件在分析实际的工程问题中有广泛的应用，其中FLUENT 软件是计算流体力学问题的常用软件，目前应用FLUENT软件模拟管壳式换热器的内部流场流动有了较快的发展[6,7].利用FLUENT软件模拟管壳式换热器的内部流体流动情况，得出温度场、压力场、速度场分布，实现了计算结果的可视化，对换热器的优化提供了参考，具有重要的指导意义[8-10].

2 管壳式换热器的模拟

2.1 建立模型

根据换热器的结构参数，如表1所示，在Gambit中建立模型，换热管的排列方式为正三角形排列.设置边界类型，选择步长为3，其他设置保持默认，生成换热器网格，输出网格文件.

表1 换热器结构参数

2.2 求解计算及分析

将输出的网格导入FLUENT中的3D求解器进行求解计算，设置标准k-ε湍流模型，入口速度分别为0.01m/s、0.05m/s、0.1m/s、0.15m/s、0.5m/s、1m/s下求解计算，得到不同速度下换热器温度场、速度矢量分布，其计算结果如图1和图2所示.

图1 不同速度下换热器的温度场分布图

图1为换热器壳程的温度场分布图，图的左侧表示温度的大小，颜色越浅温度越高，随着换热器壳体冷凝水的进口速度的增加，折流板后的高温区域逐渐减小，有利于换热.从图1中可以看出速度对温度场的影响，因为速度慢时管壁处是层流，所以换热效果不好.

图2 不同速度下换热器的速度矢量分布图

在换热器的速度矢量分布图中可以看出，流体经过折流板的圆缺部分后通过管束，在折流板的作用下在壳程内作反复绕流.在折流板附近可以看到流体在折流板前的区域内横向冲刷换热管束，呈错流传热，85%左右的热传递在此区域内完成；折流板的下方区域是顺流区，流体平行流动，在此区域内完成的热量传递约为15%左右；折流板后方是涡流区，流体在此区域内相对停滞，使其热混合程度极小，热量在此区域内聚集无法被及时传递到下游，局部换热效果较差，因此被称为传热死区.传热死区的存在使换热器的换热面积无法被充分利用，因而传热系数小并且容易结垢.

在换热器的壳体入口处可以看出，流体在壳体进口处横向冲刷换热管束，由于为了便于装配，折流板的管孔要大于换热管的外径，导致管子固定不紧，在流体的横向冲击作用下，换热管后方区域形成漩涡，使换热管束容易产生流动诱导振动，这会使管子与管板的焊接接头破裂，导致折流板管孔处的板子磨穿，使用寿命缩短.减少振动最有效的方式是缩短折流板间距或降低流体的流速，但是折流板的增多会导致壳程阻力的增加和传热死区面积的增大，因而使能耗增加，有效传热面积减小，降低流体的流速又会使换热器尺寸变大，传热系数下降，因此在设计换热器时要综合考虑其因素.

3 结论

管壳式换热器的管程走冷凝水，壳程内的热流体.利用FLUENT软件对管壳式换热器进行不同速度下的流体流场模拟，实现了计算结果温度场、速度场分布的可视化，为装置的优化提供了参考.