新型高效率热交换器的仿真模拟研究

孙锋，孔德霞，董敏

新型高效率热交换器的仿真模拟研究

孙锋，孔德霞，董敏

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

文章利用Fluent模拟软件对壳管式热交换器不同结构的进气管组件结构进行了模拟，分别对其产生的温度场、速度场等进行分析，研究其对热交换器的换热效果产生的影响。

Fluent软件；管壳式热交换器；温度场；速度场

1 市场需求

随着我国由动力设备生产大国向生产强国的过渡和国家对节能环保要求的提高，社会对制冷空调设备的节能化要求也越来越高。热交换器在化工、石油、动力、食品及其他许多工业生产中占有重要地位，在化工生产中，热交换器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用十分广泛[1]。石油、化工行业是热交换器最主要的应用领域，约占30%的市场份额，电力和冶金两大行业约占16%的市场份额，集中供暖和制冷空调行业约占8%的市场份额，船舶行业约占8%的市场份额，机械行业在汽车、工程机械、农业机械中应用占8%的市场份额，此外，在食品、医药等领域，热交换器用量也较大。按照机械工业联合会的预测，2010年至2020年期间，我国热交换器产业将保持年均10%～15%左右的速度增长[2]。

2 软件Fluent

Fluent 软件是国际上较为流行的一种计算流体动力学软件，在国内也是使用最为广泛的计算流体动力学软件[3]。它可用于模拟各种复杂工况下的流体状态，分析其流动以及热传导的数值模拟软件，该软件可以自动生成各种形状，具有以下优点：

（1）稳定性好：经过大量实验证明，该软件具有良好的工作稳定性，能够准确计算出结果，同实验符合较好。

（2）适用范围广：不一样的流体物质，不一样的流动方式，所需要的参数设置和计算方法大不一样。无论是湍流模型、层流模型，还是多相流模型与物质反应模型，该软件都能完成，既节约了科研人员的精力，又可实现跨学科协助。

（3）高效省时：每一个子软件之间不仅可以进行数据互换，而且处理工具做到了统一，省去了繁琐的编程及重复处理，减少低效、重复的劳动。

（4）精度高：表现在对模拟状况的还原程度高，可以做到模拟结果及时实测结果，保障了工程的顺利完成。

3 流场分析

3.1 换热器模型建立

本次模拟所创建的几何模型为简易壳管式换热器，通过Fluent软件创建物理模型，运用Meshing网格对壳管式换热器进行划分[4]，设置边界条件，本次模拟不考虑其他参数。

第一步划分网格，Fluent内自动划分软件mesh，可对模型进行精准地划分网格。网格数量代表了要计算的区域范围，类似于微分方程，划分的越密集数量越多，最终的结论准确性越高。但是网格数量过多，对于计算机运算速度有较高的要求，增加了计算量[5]。为了保证较小的计算量和计算精度，采用了局部加密的划分网格方法，网格个数为97 019。

3.2 参数的确定

由于主要研究换热器内部结构的优化调整对换热器性能的影响，假定温度和速度不变。选择的流速为2 m/s，换热器进气口端温度为303 K，出气口端温度为293 K。工况A：壳管式换热器模型中圆形阵列数为3；工况B：壳管式换热器模型中圆形阵列数为4；工况C：壳管式换热器模型中圆形阵列数为5。

3.3 模拟研究

根据工况设计边界参数进行计算。设置运算步数为1 s，每秒运算1 000步，下面是通过计算得到该模拟计算的三种结构下的收敛残差图：

图1 工况A收敛图

图2 工况B收敛图

图3 工况C收敛图

从收敛图中可以看出，三种工况的收敛性都较好。

下面是计算得到的该模型的三种结构的速度场图：

图4 工况A速度场分布图

图5 工况B速度场分布图

图6 工况C速度场分布图

由上图可以看出，各工况的速度参数如表1。

表1 三种工况下的速度参数表

工况最小速度/(m/s)最大速度/(m/s) A2.7611.69 B2.8211.57 C5.5513.38

通过表1可以看出，工况B与工况A相比，差别不大，但是高速区域，工况B比工况A多；工况C与工况A相比，最小速度与最大速度都有明显提高。因此圆形阵列的结构改变对换热器的速度是有影响的，速度越大，换热能力越强，换热效率也越高，圆形阵列的个数越多，换热器的速度就越大。速度随着圆形阵列个数的增加而升高，换热能力也越强，从而换热效率也越高。

截取0=0，1=0，2=0，1=0，2=0的这一平面处的云图来分析。云图如下图所示：

图7 工况A工况某平面温度场

图8 工况B工况某平面温度场

图9 工况C工况某平面温度场

根据温度图可以看出，最低温度为302 K，最高温度为303 K，工况A中显示出温度区域趋于稳定状态；工况B中，温差逐渐变大；而从工况C中可以看出明显变化。因此，换热器的结构影响着温度变化。同时，它也决定了换热器的管内外的温差大小，在相同的工况下如果换热器的温差越大，其换热能力也越大。

4 结论

通过分析三种不同结构换热器进气管出气口速度场、温度场的分布情况，可以发现，圆形阵列出气口的分布影响着换热器的换热能力，出口数量影响着换热器的温度场与速度场，出口数量越多，换热器的换热能力越高，所以在换热器进气管组件的结构设计时，增加进气口端的出口数量会提高换热器的换热效果。应用Fluent软件对化工过程进行数值模拟时，常需要对复杂的边界条件做一些简化和假设，这可能导致计算结果与实际结果存在一定的偏差[6]。为了提高Fluent软件模拟的精确度和准确性，还需要加强对热交换设备结构和计算模型的分析研究，为热交换设备的结构优化提供理论支撑。

[1] 刘佳杰.换热器行业未来发展趋势探析[J].中国市场,2016(03):61+ 64.

[2] 孔德霞.高效率热交换器结构优化[J].设备管理与维修,2020(20): 39-41.

[3] 郭空明,师阳,徐亚兰.工程流体力学课内实践教学的探索和展望[J].高教学刊,2021(04):81-84.

[4] 董天飞.管壳式换热器结构设计与性能分析[D].长春:吉林大学,2019.

[5] 李卫军.羽毛球馆空调气流分布数值模拟及优化研究[J].北京:北京建筑大学,2019.

[6] 曹钰,耿世伟,李沪萍,等.Fluent软件在化工设备模拟中的应用[J].化学工业与工程,2019,36(04):51-57.

Simulation Research of New Type High Efficiency Heat Exchanger

SUN Feng, KONG Dexia, DONG Min

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

This paper uses Fluent simulation software to simulate the structure of the intake pipe assembly of the shell and tube heat exchanger with different structures. The temperature field and velocity field generated by it are analyzed respec- tively, and the heat exchange effect of the heat exchanger is studied.

Fluent software; Shell and tube heat exchanger; Temperature field; Velocity field

U464.333

A

1671-7988(2021)20-163-03

U464.333

A

1671-7988(2021)20-163-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.041

孙锋（2000—），女，学生，本科，就读于山东华宇工学院能源与动力工程专业，研究方向：能源应用。

2020年度大学生创新创业训练计划项目：新型换热器进气装置优化设计（X202013857017）；2019年度德州市市级研发计划项目：新型高效率热交换器结构优化和特性研究。