基于Fluent的换热器流场模拟

第1章绪论 (2)

1.1换热器的分类 (2)

1.2 换热器研究与发展 (3)

1.2.1换热器发展历史 (3)

1.2.2 换热器研究及发展动向 (3)

1.2.3 国外新型换热器技术走向 (4)

第2章管壳式换热器 (9)

2.1 管壳式换热器结构 (9)

2.2 管壳式换热器类型 (9)

2.3 换热器的安装、使用及维护 (10)

2.3.1换热器的安装 (10)

2.3.2 换热器的清洗 (10)

2.3.3换热器的维护和检修 (12)

2.3.4换热器的防腐 (13)

2.4 换热器的强化 (14)

2.4.1管程的传热强化 (14)

2.4.2 壳程的传热强化 (16)

第3章流体传热的研究方法 (17)

3.1 传热学的常用研究方法 (17)

3.2数值模拟的求解过程 (17)

第4章基于Fluent的管壳式换热器的数值计算 (20)

4.1 Fluent简介 (20)

4.2 基于Fluent的三角形排列的换热器流畅模拟 (21)

结论 (31)

第1章绪论

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器，广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工业等行业。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。

1.1换热器的分类

换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能量十分大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器结构和形式亦不相同，换热器种类随新型，高效换热器的开发不断更新，具体分类如下。

(1)冷、热流体热量交换的原理和方式

基本上可分三大类：间壁式、混合式和蓄热式。

间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流进行换热。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

在蓄热式换热器中，冷热两种流体依次交替地流过同一换热表面而实现热量交换，固体表面除了换热以外还起到蓄热的作用：高温流体经过时，固体避免吸收并积蓄热量，然后释放给接着流过的低温流体。这种换热器的热量传递过程是非稳态的。

三种类型中，间壁式换热器应用最为广泛。

(2)表面的紧凑程度

换热器还可以按照表面的紧凑程度而区分为紧凑式换热器（compact heat exchanger）与非紧凑式换热器(non-compact heat exchanger)。紧凑的程度可以用水力直径（d h，

hydraulic diameter，也称当量直径，流动界面积的4倍除以湿周长）来区别，或者用每

立方米中的传热面积β来衡量：当β>700m2或者d h <6mm时，称为紧凑式换热器。当

μ3000m2或者100m

μ15000m2或者100m

时属于微型换热器。

1.2 换热器研究与发展

1.2.1换热器发展历史

20世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展，私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张，全球气温的不断升高，环境保护要求的提高给换热器及空冷式换热器及高温，高压换热器迎来了日益广阔的应用前景。

1.2.2 换热器研究及发展动向

（1）物性模拟研究

换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在试验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

（2）分析设计的研究

分析设计是近代发展的一门新兴科学，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确，更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能方便、便捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。

（3）大型化及能耗研究