换热器管束排列方式对流场影响的数值分析院选课

1、换热器管束排列方式对流场影响的数值分析院 系：化学工程学院 专 业：热能与动力工程 指导老师：周俊杰老师 姓 名：白彩鹏 学 号：20050390101 日 期：2008-11-13 换热器管束排列方式对流场影响的数值分析白彩鹏(郑州大学热能与动力工程系，河南 郑州 450001)摘 要：建立了四种管束不同排列方式的模型，利用fluent软件，,计算出管壳式换热器不同排列形式的二维压力场、速度场和温度场，并对不同排列形式的压力损失、速度分布和换热效果进行了对比，综合说明了它们的优缺点，对换热器的设计提供了一定的参考。关键字：换热器;管束;排列方式;数值分析the numerical simul

2、ation of the influence of tube bundle arrangements in the heat exchangerbai caipeng（department of thermal energy and power engineering;zhengzhou university,zhengzhou 450001，henan，china）abtract:this paper establishes four different models about the arrangement of the tube bundle,and using the softwar

3、e of fluent,the numerical simulation of the two-dimensional pressure,speed and temperature fields is computed by choosing the different arrangements of the tube bundle in the shell-and-tube heat exchangers.pressure loss, distributions of velocity and effect of heat transfer are compared and analyzed

4、,moreover,a comprehensive description of their strengths and weaknesses.reference information for the improvement of the heat exchanger can be obtained by the analysis of this flow.key words:heat exchanger ;tube bundle; arrangement ; numerical simulation序 言换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中

5、，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。换热器中管束的排列方式有很多种，不同的排列方式对换热效果有很大的影响。本文用管壳式换热器作为模型,利用 cfd方法,对其内流进行计算分析 ,比较了管束不同排列形式的计算结果 ,分析了流道内的流动情况1-5。1 模型建立及计算方法1.1 模型建立换热器管束排列方式主要有三角形和正方形排列，其中三角形排列又分为正三角形和转角正三角形，正方形排列又分为正方形和转角正方形。其不同的排列方式见下图1。三角形排列最为常见。该二维模型的控制方程如下：对于给定的流场

6、在相应的初边值条件下，联立求解连续性方程和动量方程可以获得流场的速度分布和压力分布。在速度场已知的情况下求解能量微分方程，最终可以获得流场的温度分布。1.2 计算参数设置图1中管内热流体温度为400 k,管外冷流体为温度为300 k的水。水的常量参数：密度为 998 kg/m3;导热系数为0 . 6w / (m·k) ；粘度为 0 . 001 003 kg/ (m·s) ；比热为4 182 j / ( kg·k) ；进口质量流量为 0 . 05 kg/ s 。fluent中的计算设置如下：采用分离、隐式、稳态计算方法。能量方程、动量方程采用二阶迎风格式离散。压力

7、-速度耦合采用simple算法。计算域的进口采用稳态、质量流量进口条件,出口采用出流条件。与流体相接触的所有壁面上均采用了无滑移固定壁面条件,.计算区域划分为非结构三角形网格。且不考虑换热器与环境的热交换。2 数值模拟结果及分析压力场分布流场内压力分布如图2所示。当冷流体进入换热器的时候 ,换热管迎向冷流体一面压力最大.在换热管的前端有一个流动驻点 ,流体在此的速度最小,故其压力也最大；随后 ,壳程流体速度逐渐增大到最大值 ,压力逐渐减小，甚至成为负压.正方形比三角形排列的流体压降小.（a）正三角形排列 （b）转角正三角形排列（c）正方形排列 （d）转角正方形排列图2 压力场速度场分布 流场内

8、的速度分布如图 3所示。对正三角形排列 ,每一根换热管周围都有冷流体绕流而过 ,换热管与冷流体有较大接触的换热面和较强的流动速度。对转角三角形排列,出现了顺排管束 ,顺排管束的前后管间的冷流体流速很小,换热就小，与正三角形排列相比 ,冷流体流过的换热面较小。对正方形排列,管间小桥形成一条直线通道,冷流体穿流而过,易走短路,冷流体与换热管的接触换热面很小，换热量也就小。对转角正方形排列,流体的速度分布稍微复杂 ,由于管束的错列,冷流体对换热管有绕流,热交换能更好地进行,与正方形排列相比,热交换效率也得到了提高，但转角正方形排列的管间距较大，流速较小，与管子的换热系数小，导致换热效果会差些。（a）

9、正三角形排列 （b）转角正三角形排列（c）正方形排列 （d）转角正方形排列图3 速度场温度场分布流场的温度分布如图 4所示，温度的大小与冷流体流速的大小有很大的关系。对正三角形排列，冷流体对每一根换热管都有充分的热交换，温升较大,换热效果较好；转角三角形为顺排管束 ,经过各个换热管表面流程变小,较正三角形流体流道截面积大,流速相对也较小,换热效果较差；对正方形排列,穿流而过的冷流体接受换热较为均匀,温度变化比较稳定,温升较小；对于转角正方形排列,冷流体的流程变大,有绕流,从而热交换增强,温升提高。（a）正三角形排列 （b）转角正三角形排列（c）正方形排列 （d）转角正方形排列图4 温度场由以上

10、分析可知，正三角形排列和转角正方形排列属于错排，转角正三角形排列和正方形排列属于顺排，错排管外流体的扰动较为强烈，换热效果比较好。所以，正三角形排列的换热器换热效果强于转角正三角形排列,转角正方形排列的换热器换热效果强于正方形排列。在实际应用中正三角形排列较为常见。3 结论（1）正三角形排列的特点是：排列管数相对较多，传热系数相对较高，但压降较大，不易清洗。是否采用正三角形排列或其他排列应考虑工艺状况与各排列方式的特点结合起来。（2）正方形排列结构的流动阻力一般要低于错排结构，而且清洗方便。（3）对于一般换热器而言,在管内流体流量较大的场合,或对于管外流体阻力降有严格限制而换热管的传热能力已较强的场合,在管间距基本相同的前提条件下,顺排形式的管束排列方式有时却是是更合适的选择。参考文献：1 秦叔经,叶文帮