板壳式换热器流动与传热的数值模拟

板壳式换热器流动与传热的数值模拟
徐辉;苏文献
【摘要】基于计算流体力学方法对板壳式换热器内部流场进行模拟,建立了板壳式换热器流动及换热计算的模型,模拟了换热器内部流动和换热情况,分析了流道内温度场和压力场及流线的分布情况,对流体的流动和传热进行了详细的描述,分析了换热器内流体流动和传热特性,对实际工程具有一定的指导意义.
【期刊名称】《能源工程》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】5页(P71-74,79)
【关键词】板壳式换热器;流动;传热;数值模拟
【作者】徐辉;苏文献
【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
0 引言
随着我国工业化进程的加快，节能减排越来越重要。

换热器作为工业生产中的重要设备，提高换热器换热效率、减少能耗已迫在眉睫。

近年来，一种耐高温耐高压、换热效率高的板壳式换热器应运而生。

对其展开深入的研究，提高其换热效率，减
少能源消耗，具有重要的意义。

国外如ILAS、BOJKO等[1-3]对换热器流动状态与传热性能进行了详细的研究，国内如潘胜、文键、李青等[4-6]对壳侧流场的数值模拟也展开了深入的分析研究。

本文中以板壳式换热器为研究对象，利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)
方法数值模拟了换热器内部的压力场和温度场，对流体流动与换热进行了详细的分析。

1 数值模型计算
1.1 换热器整体模型
利用数值模拟软件FLUENT对板壳式换热器进行模型建立。

表1所列为板壳式换热器的结构尺寸，图1为板壳式换热器模型，图2为换热器管程壳程流体流动示意，换热器的板程由相邻的波纹板交叉组成。

板程流体流动如图2中黑色箭头所示；换热器的壳程由两个板束之间焊接而成，壳程流体的流动如图2中红色箭头所示。

通过采用多流程的形式，实现两侧逆流流动传热，提高换热器的换热效率。

表1 换热器的结构尺寸项目尺寸换热器长度/mm600换热器板束所在长方体结构/mm120×200上下方半圆形筒体高度/mm60板片间距/mm15折流板厚度
/mm5折流板数量4热蒸汽进出口直径/mm60
图1 板壳式换热器三维模型
图2 管程壳程流体流动示意
1.2 模型及控制方程组的选择
考虑到换热器内部流体的可压缩性和剪切性，采用k-ω(RNG)湍流模型[7-8]对换热器内部流体流动进行模拟。

结合换热器内流体的实际特点，做如下设定：换热器内部流体为不可压缩型流体；流体物性为常数；换热器内流体的流动与换热满足以下方程[9-10]：
连续性方程：
动量方程：
能量方程：
湍流动量方程：
能量耗散方程：
以上各个方程中：ui为各方向的速度分量，m/s；t为时间，s；k为传热系数，kW/(m2·K)；Cp为比定压热容，J/(kg·K)；μ为流体黏度，Pa·s；ρ为流体密度,kg/m3；ueff为有效动力粘度，Pa/s。

1.3 计算方法与边界条件
对换热器的边界条件做如下设定：换热器壳程采用质量流量进口，板程采用速度进口，以流体的流量、速度、温度、湍流强度作为壳程和板程入口条件，压力作为换热器的出口条件。

板程与壳程换热部分作为传热面，其他部分作为绝热边界。

根据表1换热器的尺寸以及计算流体力学相关公式可以得出下列初始条件。

壳程工质进口质量流速为Ms=0.01 kg/s，温度为500 K；
水力直径；
湍流强度I=0.16(ReDH)-1/8=
板程工质进口流速为2 m/s，温度为330 K；
水力直径；
湍流强度I=0.16(ReDH)-1/8=
2 数值分析
2.1 壳程数值分析
2.1.1 壳程压力
图3为板壳式换热器内部的静压分布云图和静压力线。

如图所示，在换热器的入
口处，由于流体的流动空间突然变大，流体产生了较大的压降，流体的静压随着流动方向逐渐降低,换热器壳程的总体压力是按流体的流动方向均匀递减。

2.1.2 壳程流场
图4为板壳式换热器壳程的流线图，图4(b)为图4(a)中红色圈出部分的放大图。

如图4(a)所示，由于折流板流阻的存在,流体的速度呈现周期性改变。

在每一块折
流板的附近，由于流通截面的突变，在缺口处形成高速流动区域，从图4(b)中可
以看出，在流体经过折流板的时候，由于强烈的扰动，产生漩涡，使之与板程流体充分换热。

图3 板壳式换热器内部静压分布云图和静压力线
图4 板壳式换热器壳程流线
2.1.3 壳程温度
图5为板壳式换热器壳程的温度云图及等温线图。

从图5(a)的温度云图可以看出，流体温度随着流动方向逐渐下降，且随着流动方向温度下降的越来越慢。

这是由于高温流体刚进入时，与低温的板束内流体进行了充分换热，随着换热的进行，热流体的温度逐渐降低，而冷流体流动中由于没有折流板的存在，所以相对于热流体而言温度上升的比较缓慢。

从图5(b)的等温线图可以看出，饱和水蒸气在刚进入入
口处时，温度分布很不规则，这种情况导致了入口处的温差应力过大。

图5 板壳式换热器壳程温度和等温线
2.2 板程数值分析
2.2.1 板程压力
图6为板壳式换热器板程的静压力分布云图，图6(a)为板程整体静压力分布云图，图6(b)为沿着x轴方向的板束平剖图。

如图6(a)所示，板束从入口处至出口处压
力逐渐降低，相对于壳程的静压降，板程的静压降是随着板束结构的变化而呈现出
周期性下降；如图6(b)所示，板束结构的拐点处静压分布不均匀，由于结构的变
化造成流体在这些区域的流动状态发生改变，从而增加了扰动，引起了静压力的变化。

所以不同的板束结构对板程的压降有非常大的影响，合理的板束结构能减小压降，增大换热效率。

2.2.2 板程温度
图7为板壳式换热器板束的温度云图及等温线图。

如图7(a)所示，随着换热进行
的越来越充分，冷流体的温度随着流动方向逐渐升高。

从图7(b)板束的等温线图
可以看出，在靠近饱和水蒸气的入口处，板束的温度线分布很不均匀，这表明在这块区域的板束表面由于入口处饱和水蒸气的速度以及方向的不确定性，造成了板束的温差较大，由于温差应力的存在，造成了换热器的过早损坏。

图6 板壳式换热器板程静压分布云图
图7 板壳式换热器板束温度和等温线
3 结论
本文中以板壳式换热器为数值模拟研究对象，对换热器流体流动与换热进行了详细分析，数值模拟了换热器内部的压力场和温度场，计算结果较为准确。

(1)流体在板壳式换热器进出口区域，流速变化较大，流体的流动状态较为混乱，
在进入板束中间通道的时候造成流量分布不均，这种分布会导致板束温差应力增大，影响换热器的使用寿命。

(2)流体在刚进入板壳式换热器的入口处温度最高，沿着壳程体的流动方向温度逐
渐降低，随着冷热流体换热的充分进行，流体温度的下降幅度逐渐变小。

(3)板壳式换热器板束结构的拐点处静压分布不均匀，流体在这些区域的流动状态
发生改变，增加了扰动，引起静压力变化。

不同的板束结构对板程的压降有较大的影响，合理的板束结构不仅能减小压降，增大换热效率，同时也能减小能耗。

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