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管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟研究

作者：吴昊鹏

来源：《科技风》2017年第19期

摘要：本次研究中，笔者通过ANSYS NX8.5建模软件建立了全流路管壳式换热器流动与传热模型，模型与实际换热器的尺寸相适应，利用ANSYS Fluent18.1数值模拟软件对管壳式换热器壳程流体流动与传热进行数值模拟计算，通过数值模拟计算得到速度矢量、温度场、压力场等信息，并对这些信息进加以分析来探索流道中流体的流动与传热规律。 关键词：管壳式换热器；壳程流体；数值模拟；流动与传热

传统的单弓形折流板管壳式换热器在石油、化工等领域中的使用占据主导地位，单弓形折流板管壳式换热器占整个换热器数量的70%，其具有许多优点，如结构可靠、设计与制造简单、耐高温高压、适应性强、处理清洗方便等，这些优点在产业节能上发挥了很重要的作用，但是随着时代的发展，传统的单弓形折流板管壳式换热器传热性差、流动阻力损失大等缺点的存在使其已经不能满足新的节能减排形势。随着计算机技术和CFD的发展，数值模拟计算分析已经成为换热器的研究与设计的重要手段，因此，本文采用数值模拟的方法对管壳式换热器壳程流体流动与传热数值进行研究。 1 几何模型构建与工艺条件

本文研究对象采用的是单弓形折流板管壳式换热器模型，它的几何结构如图1所示，模型的主要参数如下：壳体φ115 mm×6.5 mm×1012 mm；换热管 19 mm×φ12 mm×3 mm；导流筒φ92 mm×1 mm×120 mm；折流板直径、间距和数目：φ100 mm×100 mm×5 mm；壳程接管φ32 mm×2.5 mm；折流板圆缺比例 25%；管程介质为饱和水蒸气，壳程介质为冷却水。

通过Fluent软件的计算得到折流板管壳式换热器的速度矢量图。壳程中的折流板将壳程流道分成了许多错流区，壳程流体通过折流板的折流作用后，形成了复杂的绕流，折流板之前的区域流体流速较大，传热效果明显；在折流板的背面，流体的流动为涡流，因此流体流动的速度较慢，换热效果差，这个区域流动特性是造成换热器的传热系数小、传热效率低的原因之一。

2.2 换热器温度场分析

通过Fluent软件的计算得到折流板管壳式换热器的流场温度分布图，如图2所示。 通过温度分布图可以看出：

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在壳程流体进口处的附近区域温度较高，且入口端的温度梯度较大，因此入口端区域为换热器换热最强烈的区域，壳程温度的变化受到折流板的影响而呈现出“Z”字形的变化趋势，并且由入口端开始，温度变化的梯度越来越小。 2.3 换热器压力场分析

通过Fluent软件的计算得到折流板管壳式换热器的流场压力分布图，通过压力分布图可以看出：壳程流体压力降低的梯度较管程流体更大，壳程流体在进出口处压力降低明显，这种明显的压降也体现在折流板的圆缺处，壳程流体压力损失大，能量损耗高。 3 结论

对传统的单弓形折流板管壳式换热器进行了数值模拟研究，通过计算得到换热器的速度矢量图、温度分布图、压力分布图，通过对这些图的分析，对换热器的传热效率低、传热系数小等问题的作了进一步的研究，对传统换热器的改进有一定的意义，同时也说明数值模拟计算对于换热器的研究有重要的价值。 参考文献：

[1]栾艳春，陈义胜，庞赟佶.基于Fluent的管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟[J].化工装备技术，2015，（05）：913.

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

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