管壳式换热器性能的数值研究

谌琪，曹倩文，张怡，张海娟，邹勇

管壳式换热器性能的数值研究

谌琪1，曹倩文1，张怡1，张海娟2，邹勇1

（1. 安徽工业大学 数理学院，安徽 马鞍山 243000；2. 安徽马鞍山工业学校 数控系，安徽 马鞍山 243000）

建立了管壳式换热器的简单三维物理模型，利用Fluent软件对换热器的工作状况进行模拟，分别研究了当管壳式换热器的换热管形状和换热管排列方式改变时，换热器的换热率、努塞尔数以及出口处热流体的温度波动等相关性能参数的变化．计算结果表明，当换热管形状为正方形，排列方式为第2种叉排方式时，换热器的综合换热性能最佳．

管壳式换热器；换热管形状；换热管排列方式；换热率；努塞尔数；出口面温度

随着现代化工业的飞速发展，围绕能源这一中心的环境、生态等问题日益突出[1]．世界各国在大力开发新能源的同时，也在积极寻求节约能源的有效途径．在诸多领域中，先进强化换热技术的广泛应用不仅在整个行业中起到节约能源、保护环境、实现可持续发展的作用，而且在极大程度上可以降低个体生产商的投资成本和运营成本[2]．换热器作为一种热交换装置，主要用于促进热流体将热量传递给冷流体，使流体升温或降温，以满足所需的工艺要求[3]．换热设备在食品、化工、石油、医药、冶金、动力、制冷等其他工业中也得到了广泛应用，在实际生产中占有重要的地位[4]．在工业生产中，由于工艺要求的不同，换热器可以通过各种各样的换热方式进行热量交换，如对流体进行加热、蒸发、冷却等操作．所以换热器可以作为加热装置、蒸发装置、冷却装置等被应用在工业生产中．特别是近些年来全球频繁出现的环境能源等问题，让世界各国对能源危机有了切身的认识和体会，为了在不影响效益的前提下达到有效节能的目的，各国的科技工作者们愈发注重换热元件的开发和研究[5]．

相对于国外而言，国内开始在换热器方面进行研究的时间较晚，在经验和技术上都有所不足，理论及实验都还需进一步深入研究，尤其是在换热器的流场分布、温度变化等方面的研究上，准确的实验数据仍有待补充和完善．但是国内对于影响换热器综合性能的各种因素的研究较为系统和全面．为了强化各种类型换热器的换热性能，主要从换热器内部流体的状态转变和换热器各部分元件参数2个方面进行研究．换热器的各部分元件参数包括换热器的管束尺寸大小、管束个数、换热管排数、管束间距大小、管束排列方式等[6]．在换热器的应用领域中，管壳式换热器的应用是最为广泛的．由于比较容易清洗，易损部件容易更换以及特有的结构等优势使它几乎可以适应各种生产环境和工业需求[7-8]．为了满足不同研究条件下各种类型换热器性能研究的需要，换热器的研究方法可以分为数值模拟、理论研究、实验研究3种[9]．

1 三维物理模型

图1 换热器三维物理模型

质量守恒方程

能量守恒方程

动量守恒方程

表1 换热器结构尺寸及计算工况

2　结果与分析

2.1 换热管排列方式对换热器性能的影响

控制换热管形状为圆形，半径=0.7 cm，热流体速度=0.1 m/s，保持此条件不变，改变换热管的排列方式，模拟了不同排列方式时换热器的换热情况．

换热管依次为顺排、叉排1、叉排2所对应的换热器中截面上的温度分布见图2．换热管为顺排方式时，高温区域较大，流体经过冷的换热管后温度降低，第3列到第5列换热管之间温度梯度较大（见图2a）．换热管为第1种叉排方式时，流体经过叉排方式的换热管后温度下降比顺排方式快（见图2b）．换热管为第2种叉排方式时，第3列和第6列换热管上方和下方区域色彩变化在3种温度云图里最为明显，即温度梯度最大．低温区部分与叉排1相比较为集中，对应等温区域也较集中（见图2c）．

图2 换热管不同排列方式下换热器中截面（=0）的温度云图

表2 不同排列方式下换热器性能参数

图3 不同排列方式下换热器出口处温度分布

2.2 换热管形状对换热器性能的影响

设定热流体速度为0.1m/s，控制换热管径截面面积与半径为0.7 cm的圆面积相同（即控制流过的冷流体流量相同），研究换热管形状分别为圆形、正方形（边长1.24 cm）、正三角形（边长1.88 cm）时换热器的换热性能．

图4 换热管不同形状下换热器中截面（z=0）的温度云图

对不同形状的换热管，换热器出口处温度分布情况见图5．由图5可知，三角形换热管的出口面温度在两侧分布最均匀，中心位置波动最大，圆形管束的出口面各位置的温度分布均匀程度基本相同，正方形管束的出口处温度分布曲线与圆形管束大致重合，但在靠近换热管处均匀程度更差一些.

表3 不同形状下换热器性能参数

图5 不同形状下换热器出口处温度分布

3 结论

本文利用Fluent软件对不同参数下管壳式换热器的换热情况进行了模拟，分别对换热管在不同形状和不同排列方式下对应的换热器的换热率、努塞尔数、出口温度的均匀度等参数进行研究，得出结论：（1）在换热管的排列方式中，以叉排2方式排列的换热器具有较好的换热效果；（2）对不同的换热管形状而言，正方形换热管的换热器换热性能最佳；（3）换热效果较弱的换热器在出口处的温度波动较小，而换热效果好的换热器在出口处温度波动较大．

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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点项目（KJ2018A0051）；安徽工业大学教学研究项目（2018jy41）；安徽工业大学省级大学生创新训练计划项目（201810360349，201810360351）

谌琪（1999-），女，江西南昌人，在读本科生．E-mail：1192770637@qq.com

邹勇（1981-），男，安徽太和人，讲师，博士，从事电子设备散热设计研究．E-mail：zyay2004@163.com