管壳式换热器流动及传热的数值模拟

2016-11-09 by:CAE仿真在线来源:互联网

管壳式换热器流动及传热的数值模拟

尤琳(山东豪迈化工技术)

引言

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备。在化工厂中,换热器的投资约占总投资的10%~20%;在炼油厂中,该项投资约占总投资的35%~40%。换热器不仅能够合理调节工艺介质的温度以满足工艺流程的需要,也是余热、废热回收利用的有效装置。鉴于换热器在工业生产中的重要作用及其能耗较大的现状,改进和提高换热器的性能及传热效率成为节能降耗的重要途径,将产生重要的经济效益和社会效益。1换热器介绍1.1换热器分类适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器,结构形式也不同,按照传热原理分类,可分为:间壁式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器、复式换热器;按照用途分类,包括:加热器、预热器、过热器、蒸发器;按照结构分,可分为浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。

间壁式换热器举例

蓄热式换热器举例

直接接触式换热器举例

1.2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,准确性主要体现在与实际工况的差别。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,这无疑给流动分析技术带来发展,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%以下。(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。2换热器数值模拟本文以管壳式换热器为例,通过workbench fluent 软件进行流体流动和传热的模拟计算,以准确地预测管壳式换热器壳程流动、传热热性,以实现设计高效可靠的换热器及评价和改造现有换热器的性能。2.1问题描述研究对象为一润滑油冷却器,壳程为润滑油,管程为冷却水,冷却器总长为0.92m,筒体直径为0.207m,管程数为2,壳程数为1,流动形态为逆流,换热器主要几何尺寸和相关物性参数见下表。

2.2

几何模型

用于有限元分析的换热器的几何模型包括壳程流体、管程流体以及传热元件换热管;固体部分如管板、筒体、水盖等部分均忽略,如下:

换热器三维模型

2.3网格划分在ANSYS Workbench 软件中,采用四面体的非结构性网格对换热器进行网格划分,并对管程和壳程的流体进出处的网格采用refinement命令进行局部加密。整个模型共有节点Node1204955个,单元Element5038668个,有限元模型网格划分见下图。

2.4

边界条件设定本文中的流体均为不可压缩流体,采用基于压力求解器(pressure based solver),三维空间(3D),单精度,定常流动,绝对速度。因涉及传热计算,故打开能量方程。根据模型条件计算雷诺数,管壳程流体流动可达到过渡流或湍流,湍流粘性采用k-Epsilon(2 eqn)模型,近壁面采用标准壁面函数(standard wall functions),压力和速度解耦采用SIMPLE算法(semi implicit method for pressure linked equation),动量、能量及湍流参量的求解采用二阶迎风格式。亚松弛因子等均按默认设置。计算流体采用速度入口条件,给定流体流速、温度及相应的湍流条件。2.5结果与讨论经ANSYS workbench Fluent 软件竖直模拟后得到单弓形折流板换热器流体速度、温度、压力云图:换热器的壳程和管程的整体压力降都不是很大,壳程压力降的梯度较管程更明显;壳程流场的总压力分布,沿着流动方向整体呈总体下降趋势。流体在接管和筒体衔接处产生较大的压力,单弓形折流板的圆缺处也有明显压降,每两块折流板间的较大区域内的压降相对较小。

压力分布云图

壳程流体速度分布呈现周期性改变,即呈整体的“Z”型流动,这主要是由于单弓形折流板的存在,并且在每一块折流板的圆缺处附近,流体的速度都有一个相对增加的区域,该区域速度值较大,并且完成了速度方向的改变。另外,距离入口最近的两个圆柱的迎流区,速度逐渐减小,直至圆柱体表面形成流动驻点,该驻点的速度最低。在两个圆柱体中间部分,由于流通区域逐渐变小,使得速度提高,根据伯努力方程,压力逐渐降低。圆柱体周围速度明显低于周围流体,但变化率有很大的一个薄层,即速度边界层。管壳程流体从进口到出口的流线图能清晰地描述流体的流动轨迹。