管壳式换热器管内流动的数值模拟及试验研究

和 ｓ 湍流模型进行模拟计算 ，得到 了有代表性 的管 内流速分布及其 相关 结果 。通过添加均流板 以及 开孔布 置和尺寸的优化 ，使管 内流速分布的均匀性得到改善。
关 键 词 ： 管 壳式 换 热 器 数值 模 拟 试 验 研 究
随着 国内房地 产业 的迅速 发展 ，全 国上市 的商 品房数 量不 断增加 ，民用供热 的市场 化及 人们对 优 质舒适 生活 的追求 ，都 为冷凝 式燃 气壁挂 炉提供 了 巨大 的市场发 展空 间 。 从 业界发 展趋势 来看 ，开 发利用冷 凝 式燃气 壁
管 壳式潜 热换热 器 的管 内水 流均匀 性 问题 ，是
管 壳式换 热器运 用于 燃气热 水器 的关键 问题之 一 ， 因为水流 不均匀 将导 致局部 空烧 而烧坏 换热器 。本 文 采 用 在换 热 器 的进 出 口分 别布 置 均 流 板 的 方法 以达 到水 流均衡 ，并通过 数值模 拟和 实际试验 来解 决均 流板 的开孔 布置 问题 。应用 Ｆｕ ｎ 软件 ，建立 ｌｅ ｔ 管壳 式换热 器通 道 的三 维 四面 体 网格模 型和 ｋ￡湍 － 流模 型 ，获得 了有代表 性 的管 内流 速分 布和相 关计
文采 用 Ｃ Ｄ 的商用软件 Ｆｕ ｎ 对 管壳式 换热器进 Ｆ ｌｅ ｔ
补 充形式 。但 是烟 气 中的水蒸 气冷凝 成水 时 ，与烟
行数 值模拟 。建立 流体 的质量 方程 和动量 方程 ，引 入适 合处理 低雷诺 数和 近壁 流动 的 Ｒ － 模型方 ＮＧ ｋ￡
气 中的酸性 气体 反应 ，从而腐 蚀尾 部受热 面 ，这是
（） ３ 设置边 界 条件
进 出口接 管直 径／ ｍｍ
３ ０
进 出 口接 管 长度／ ｍｍ
２ １
设 置流 体入 口边 界 条件 、出 口边 界 条件和 壳 体
壁 面 的边 界 条件 如表 ２所 示 。
表 ２ 边 界 条 件 设 定
边 界 条件 水入口 水出口 其 它壁 面 设置 内容 温 度入 口 压力出口 Ｔ２８ ＝ ９ Ｋ
管壳式换热器管 内流 动的数值模拟及试验研 究
宁波 方 太 厨 具 有 限 公 司 同济 大 学 机 械 工程 学 院
徐 德 明 朱 桂 平 卢志 龙 魏 敦 崧
摘 要 ： 应 用 Ｆｕ ｎ 软 件 ，建 立 了冷 凝式 燃 气 壁 挂 炉 的 管 壳 式 潜热 换 热 器 的三 维 四面 体 网 格模 型 。采 用 Ｃ Ｄ ｌｅｔ Ｆ
需要特 别注意 的 。 现有 防腐蚀 技术 一般可采 取 两种措 施 ，一是对 潜热 换热段 热交 换器进 行表 面涂层 处理 ，另 一种方 式是 采用耐腐 蚀材 料 ，例 如不锈 钢 。燃 气热水 器 中 传 统使 用 的是 翅 片 式 换热 器 ，不 仅 涂层 材 料 要 求
高 ，而且工 艺复杂 。
程 ，并根据相 应 的边界条 件 ，模 拟计 算 了水 流 的速
度分 布 。
１１ 几何 模型——Ｇａ ｉ建模 ． ｍｂｔ
管 壳式换 热器 的基本 结 构见 图 １ 。几 何模 型采 用 一个尺 寸 为 ３ ．ｘ ２ ￣ ０ ｍｍ 的矩形 区域 。综合 ７ １０ ２２ ６ 考 虑 网格 效 果和计 算速度 ，模 型采 用 四面 体 网格划
算结 果 ，分 析 了均流 板开孔 孔径大 小对 管 内流 速分
币 阴影啊 。
图 ｌ 管 壳 式 换 热 器 结 构
（） 定求 解器 １ 确
’
选 择 用 于 进 行 Ｃ Ｄ 计 算 的 求 解 器 ， 为 Ｆ
刀 ） ００ ）２１ 年第５ 上海煤气 期
Ａｐ Ｉ ｐｌＣ
Ｆｌ ｅ ５ ６。 ｕ ｎｔ ／
（） ２设置标 准 ｋ一 湍 流模 型 由于 Ｒ ＮＧ 模 型对 瞬变 流和 流线 弯 曲的影 响 能
做 出更 好 的反应 。所 以我们 设置 Ｒ － ＮＧ ｋｅ湍 流模
型 ，Ｎｅｒ ｌ Ｔｅ ｔ ｎ（ ａ－ ｌ ｒａｍｅ ｔ Ｗａ 近壁 处 理） 择 Ｅ ｈｎ ｅ 选 ｎ ａ ｃｄ
用 压 力 ． 度 耦 合 的 Ｓｍｐｅ 方 法 ，求 解 器 选 择 速 ｉ ｌ Ｓ ｇｅ ａｅ （ｂ 合 求 解 法 ） ｍｐｉ ｔ隐 式 算 法 ） ｅｒｇ ｔｄｔ 耦 、Ｉ ｌ ｉ ｃ（ 、 ３ 三维 空 ｆ 、Ｓｅｄ （ Ｄ（ ｑ） ｔ ｙ 定常 流动） ｂ ｏｕｅ绝对 速 ａ 、Ａ ｓｌｔ（ 度１ 。
中创 建三 维物 理模 型 ，并划 分 网格 。
表 １ 换 热 器 的几 何 参 数
参数
壳体 尺 寸 ｍｍ ／ 换 热管 直径／ ｍｍ
取 值
７
参数
换热管 数 量／ 根
取 值
２２ ０ ３ ０
Ｗ ａ１ ｅ ｔ ｅ 。 １ Ｔｒ ａ ｍ ｎｔ
３ ｘ ２ ｘ ７ 换 热 管 长度 ／ ｍ ７６ １ ０ ２ ４ ｒ ｎ
ｆ）ｑ ２ｇ 建换 热器 模 型及划 分 网格
利 用 Ｇ ｍｂｔ创建 管壳 式换 热器 的 网格模 型 ， ａ ｉ 即根据表 １的几何 参 数绘 制 出换热 器几 何体 。其 中 换 热器 中换 热管排 列 方式 、相对位 置 和 结构尺 寸见
图２ ，均 流板 上 开孔位 置 和尺 寸见 图 ３ 。在 Ｇ ｍｂｔ ａ ｉ
本文研 究采用 管壳 式换热 器作 为潜 热换 热段 ，
结构 简单 ，且 便于加 涂层 ，有 利于解 决冷 凝腐 蚀 问
题。
分 。在 Ｇａ ｉ模 块下 设定其 边界 和流体类 型 如下 ： ｍｂｔ
进 口为压 力入 口，出 口为压 力 出流 ，其他 壁面 条件 为 绝热条 件 ，流 体 为常温 水 。
挂 炉是行 业 的必然趋 势 ，将 成 为供热 系统很 重要 的
１ 换热 器管 内流动 模拟计 算
以往 对 管 壳 式 换 热器 管 内流动 的数 值 模 拟 大
多采用 Ｐ ｔｎ ａ 和 Ｓ ａ ｉｇ提 出的分布 阻力 、体积 ａ ｋ ｒ ｐ ｌｎ ａ ｄ
多 孔度 Ｓ ａ 出的表面渗 透度 等概 念来处 理 。本 ｈ提