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μ<d h <1mm时，由于水力直径的减小，导致雷诺数减小通道内的β>3000m2或者100mμ<d h <1mm 流动一般为层流，故又称此类换热器为层流换热器；当β>15000m2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）大型化及能耗研究换热器将随着装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000 m2，紧凑型换热器将越来越受欢迎。

板壳式换热器，折流杆换热器，板翅式换热器，板式空冷器将得到发展，振动损失将逐步克服，高温，高压，安全，可靠的换热器结构朝着结构简单，制造方便，重量轻发展。

随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型，高效的空冷器所取代。

保温绝热技术发展，热量损失将减少到目前的50％一下。

（4）强化技术研究各种新型，高效换热器将逐步取代现有常规产品。

电场动力效应强化换热技术，添加物强化沸腾传热技术，通入惰性气体强化传热技术，添加物强化沸腾传热技术，微生物传热技术，磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。

同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、硫化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。

（5）新材料研究材料将朝着强度高，制造工艺简单，防腐效果好，重量轻的方向发展。

随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。

（6）控制结垢及腐蚀的研究国内污垢数据基本上是20世纪60～70年代从国外照搬而来。

四十年来，污垢研究技术发展缓慢。

随着节能，增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。

通过对污垢形成的机理，生长速度，影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。

保证装置低能耗，长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。

腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。

1.2.3 国外新型换热器技术走向(1)螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器（图1.1）是最新发展起来的一种管壳式换热器 ,是由美国 ABB 公司提出的。

其基本原理为:将圆截面的特制板安装在”拟螺旋折流系统”中 ,每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一 ,其倾角朝向换热器的轴线 ,即与换热器轴线保持一定倾斜度。

相邻折流板的周边相接 ,与外圆处成连续螺旋状。

每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度 ,使壳程流体做螺旋运动 ,能减少管板与壳体之间易结垢的死角 ,从而提高了换热效率。

在气一水换热的情况下 ,传递相同热量时 ,该换热器可减少30 %～40 %的传热面积 ,节省材料 20 %～30 %。

相对于弓形折流板 ,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街 ,从而提高有效传热温差 ,防止流动诱导振动;在相同流速时 ,壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区 ,不易结垢。

对于低雷诺数下(Re< 1 000)的传热 ,螺旋折流板效果更为突出。

图1.1螺旋折流板换热器(2)折流杆式换热器20 世纪 70 年代初 ,美国菲利浦公司为了解决天然气流动振动问题 ,将管壳式换热器中的折流板改成杆式支撑结构 ,开发出折流杆换热器。

研究表明 ,这种换热器（图1.2）不但能防振 ,而且传热系数高。

现在此种换热器广泛应用于单相沸腾和冷凝的各种工况。

在后来出现了一种外导流筒折流杆换热器 ,此种换热器能最大限度地消除管壳式换热器挡板的传热不活跃区 ,增加了单位体积设备的有效传热面积。

目前 ,所有的浮头式换热器均采用了外导流筒。

近些年 ,又出现了直扁钢条支撑方式和波浪型扁钢支撑结构等新型支撑结构的折流杆换热器。

这些新结构除了增加有效换热面积外 ,更主要的是提高了对管子震动的抑制作用。

图1.2 折流杆式换热器示意图(3) 空心环管壳式换热器空心环管壳式换热器（图1.3）是华南理工大学于发明的一种新型管壳式换热器。

空心环是由直径较小的钢管截成短节 ,均匀地分布于换热管管间的同一截面上 ,呈线性接触 ,在紧固装置螺栓力的作用下 ,使管束相对紧密固定。

从而支撑管束并促进流体扰动。

空心环支撑往往与强化管组合使用。

其特点是：(1)壳程流阻低。

壳程轴向流道空隙率达80 %的空心环管间支承物对纵向流体的形体阻力几乎可以忽略。

(2)传热膜系数高。

该种结构的换热器可充分发挥粗糙型强化传热管的强化传热性能 ,利用传热管的周向粗糙肋 ,促进纵向流体在传热界面上滞流层的湍流度,获得比普通光滑管界面高 80 %～100 %的传热膜系数图1.3 空心环管式换热器示意图(4)管子自支承式换热器近年来 ,人们将壳程强化传热的两种主要途径综合起来考虑 ,利用管子形状的变化来达到相互支撑和强化传热双重功能。