換熱器管束排列方式對(duì)流場影響的數(shù)值分析院選課

1、換熱器管束排列方式對(duì)流場影響的數(shù)值分析院 系：化學(xué)工程學(xué)院 專 業(yè)：熱能與動(dòng)力工程 指導(dǎo)老師：周俊杰老師 姓 名：白彩鵬 學(xué) 號(hào)：20050390101 日 期：2008-11-13 換熱器管束排列方式對(duì)流場影響的數(shù)值分析白彩鵬(鄭州大學(xué)熱能與動(dòng)力工程系，河南 鄭州 450001)摘 要：建立了四種管束不同排列方式的模型，利用fluent軟件，,計(jì)算出管殼式換熱器不同排列形式的二維壓力場、速度場和溫度場，并對(duì)不同排列形式的壓力損失、速度分布和換熱效果進(jìn)行了對(duì)比，綜合說明了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。關(guān)鍵字：換熱器;管束;排列方式;數(shù)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 言換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位?；どa(chǎn)中

5、，換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用甚為廣泛。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。換熱器中管束的排列方式有很多種，不同的排列方式對(duì)換熱效果有很大的影響。本文用管殼式換熱器作為模型,利用 cfd方法,對(duì)其內(nèi)流進(jìn)行計(jì)算分析 ,比較了管束不同排列形式的計(jì)算結(jié)果 ,分析了流道內(nèi)的流動(dòng)情況1-5。1 模型建立及計(jì)算方法1.1 模型建立換熱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為正三角形和轉(zhuǎn)角正三角形，正方形排列又分為正方形和轉(zhuǎn)角正方形。其不同的排列方式見下圖1。三角形排列最為常見。該二維模型的控制方程如下：對(duì)于給定的流場

6、在相應(yīng)的初邊值條件下，聯(lián)立求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可以獲得流場的速度分布和壓力分布。在速度場已知的情況下求解能量微分方程，最終可以獲得流場的溫度分布。1.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置圖1中管內(nèi)熱流體溫度為400 k,管外冷流體為溫度為300 k的水。水的常量參數(shù)：密度為 998 kg/m3;導(dǎo)熱系數(shù)為0 . 6w / (m·k) ；粘度為 0 . 001 003 kg/ (m·s) ；比熱為4 182 j / ( kg·k) ；進(jìn)口質(zhì)量流量為 0 . 05 kg/ s 。fluent中的計(jì)算設(shè)置如下：采用分離、隱式、穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法。能量方程、動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式離散。壓力

7、-速度耦合采用simple算法。計(jì)算域的進(jìn)口采用穩(wěn)態(tài)、質(zhì)量流量進(jìn)口條件,出口采用出流條件。與流體相接觸的所有壁面上均采用了無滑移固定壁面條件,.計(jì)算區(qū)域劃分為非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格。且不考慮換熱器與環(huán)境的熱交換。2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析壓力場分布流場內(nèi)壓力分布如圖2所示。當(dāng)冷流體進(jìn)入換熱器的時(shí)候 ,換熱管迎向冷流體一面壓力最大.在換熱管的前端有一個(gè)流動(dòng)駐點(diǎn) ,流體在此的速度最小,故其壓力也最大；隨后 ,殼程流體速度逐漸增大到最大值 ,壓力逐漸減小，甚至成為負(fù)壓.正方形比三角形排列的流體壓降小.（a）正三角形排列 （b）轉(zhuǎn)角正三角形排列（c）正方形排列 （d）轉(zhuǎn)角正方形排列圖2 壓力場速度場分布 流場內(nèi)

8、的速度分布如圖 3所示。對(duì)正三角形排列 ,每一根換熱管周圍都有冷流體繞流而過 ,換熱管與冷流體有較大接觸的換熱面和較強(qiáng)的流動(dòng)速度。對(duì)轉(zhuǎn)角三角形排列,出現(xiàn)了順排管束 ,順排管束的前后管間的冷流體流速很小,換熱就小，與正三角形排列相比 ,冷流體流過的換熱面較小。對(duì)正方形排列,管間小橋形成一條直線通道,冷流體穿流而過,易走短路,冷流體與換熱管的接觸換熱面很小，換熱量也就小。對(duì)轉(zhuǎn)角正方形排列,流體的速度分布稍微復(fù)雜 ,由于管束的錯(cuò)列,冷流體對(duì)換熱管有繞流,熱交換能更好地進(jìn)行,與正方形排列相比,熱交換效率也得到了提高，但轉(zhuǎn)角正方形排列的管間距較大，流速較小，與管子的換熱系數(shù)小，導(dǎo)致?lián)Q熱效果會(huì)差些。（a）

9、正三角形排列 （b）轉(zhuǎn)角正三角形排列（c）正方形排列 （d）轉(zhuǎn)角正方形排列圖3 速度場溫度場分布流場的溫度分布如圖 4所示，溫度的大小與冷流體流速的大小有很大的關(guān)系。對(duì)正三角形排列，冷流體對(duì)每一根換熱管都有充分的熱交換，溫升較大,換熱效果較好；轉(zhuǎn)角三角形為順排管束 ,經(jīng)過各個(gè)換熱管表面流程變小,較正三角形流體流道截面積大,流速相對(duì)也較小,換熱效果較差；對(duì)正方形排列,穿流而過的冷流體接受換熱較為均勻,溫度變化比較穩(wěn)定,溫升較?。粚?duì)于轉(zhuǎn)角正方形排列,冷流體的流程變大,有繞流,從而熱交換增強(qiáng),溫升提高。（a）正三角形排列 （b）轉(zhuǎn)角正三角形排列（c）正方形排列 （d）轉(zhuǎn)角正方形排列圖4 溫度場由以上

10、分析可知，正三角形排列和轉(zhuǎn)角正方形排列屬于錯(cuò)排，轉(zhuǎn)角正三角形排列和正方形排列屬于順排，錯(cuò)排管外流體的擾動(dòng)較為強(qiáng)烈，換熱效果比較好。所以，正三角形排列的換熱器換熱效果強(qiáng)于轉(zhuǎn)角正三角形排列,轉(zhuǎn)角正方形排列的換熱器換熱效果強(qiáng)于正方形排列。在實(shí)際應(yīng)用中正三角形排列較為常見。3 結(jié)論（1）正三角形排列的特點(diǎn)是：排列管數(shù)相對(duì)較多，傳熱系數(shù)相對(duì)較高，但壓降較大，不易清洗。是否采用正三角形排列或其他排列應(yīng)考慮工藝狀況與各排列方式的特點(diǎn)結(jié)合起來。（2）正方形排列結(jié)構(gòu)的流動(dòng)阻力一般要低于錯(cuò)排結(jié)構(gòu)，而且清洗方便。（3）對(duì)于一般換熱器而言,在管內(nèi)流體流量較大的場合,或?qū)τ诠芡饬黧w阻力降有嚴(yán)格限制而換熱管的傳熱能力已較強(qiáng)的場合,在管間距基本相同的前提條件下,順排形式的管束排列方式有時(shí)卻是是更合適的選擇。參考文獻(xiàn)：1 秦叔經(jīng),葉文幫