圆盘板开孔对缩放管盘环式换热器壳程性能影响的数值研究.pdf

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1、第40卷第3期化工机械379圆盘板开孔对缩放管盘环式换热器壳程性能影响的数值研究吴秋华+(东莞理工学院城市学院)摘要利用CFD技术对圃盘板上开不同直径孔的缩放管盘环式换热器壳程进行了数值模拟。结果表明，圃盘板开孔能在一定程度上改善固盘板后侧流体的流动状况，且开孔后圃盘与圆环折流板之间的流体压力分布较均匀；开孔直径越大，挟热器的壳程传热系数和压降均越小，综合性能越好；开孔直径不宜过小，适当地开孔才能有效地提高换热器的综合性能。关键词缩放管盘环式换热器圃盘板开孔数值模拟中圈分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-609

2、4(2013)03-0379-05单弓形折流板换热器作为传统的换热器，一直是许多学者的重点研究对象。文献[1—3]的试验研究表明，弓形折流板合理开孔有利于提高壳程传热效率和减小压降。文献[4]提出对折流板适当部位的管孔进行适当扩大，具有较好的节能降耗效果。折流板开孔后阻力系数与开孔密度有关，低开孔密度的折流板流体流动阻力系数不仅不能降低，相反会提高"1。文献[6]的数值模拟结果也表明，采用在弓形折流板上开孔的方法对提高管壳式换热器的传热效率，减小壳侧压降有一定效果。笔者应用Fluent软件，采用数值模拟的方法对圆盘板上开不同

3、直径孔的缩放管盘环式换热器壳程传热与阻力性能进行了研究，定性和定量地分析了圆盘板开孔大小对换热器壳程性能的影响，为带开孔折流板的换热器的开发研制及工程应用提供参考依据。1模型的建立与求解1．1建模与网格划分笔者模拟研究的对象为缩放管盘环式换热器壳程结构。由于该换热器是轴对称结构，在保证不影响结果的前提下，为了减少网格数量，以便于运用CFD软件进行计算分析，可选择其一半结构来建模。同时，对所模拟研究的换热器壳程结构作一定的简化处理，建模与网格划分时均不考虑壳体及接管壁厚、缩放管壁厚、管板厚度、圆环折流板与壳体的间隙以及缩放管与

4、折流板的间隙，仅研究换热器壳程流体的流动区域。缩放管盘环式换热器的基本结构参数为：壳体内径151mm换热器长度1200mm壳程进出口接管内径45ram圆盘折流板直径128mm圆环折流板内径100mm折流板间距(即盘环板间距)98ram折流板厚度4mm换热器壳程结构模型如图1所示，其中缩放管的扩张段和收缩段长度相等，正方形排列，管子总长1．2m，外径为19mm，节距为12mm，肋高为0．8mm。·吴秋华，男，1985年12月生，助教。广东省东莞市，523419。图1缩放管盘环式换热器壳程结构模型380化工机械2013年为了研究

5、圆盘板开孔对换热器壳程传热与阻力性能的影响，笔者还建立圆盘板上开不同直径孔时的换热器壳程结构模型，并对其进行了数值模拟研究。其中，圆盘板上开孔数量为16，开孔直径分别为4、6、8、10mm，开孔位置为4根管子围成的正方形中心。圆盘板具体开孔位置如图2所示。图2圆盘板开孔位置示意图建模完成后，对其进行网格划分。由于该换热器壳程结构较为复杂，用Gambit中提供的体网格单元Tet／Hybrid(四面体／混合)、TGrid类型对其进行网格划分，各模型的网格数量在150万左右。网格生成后，用常用的衡量网格质量的指标EquiAngle

6、Skew和EquiSizeSkew对网格进行检查，结果显示各模型均没有出现畸变的网格，且都能达到保证计算准确的网格质量要求。1．2数值解法及边界条件计算中采用标准k-e模型¨1，压力和速度耦合采用Simplee算法，压力插值算法采用默认的标准格式，动量和能量方程离散采用二阶迎风差分格式。收敛判定条件：除能量方程残差绝对值小于10山外，其他残差绝对值均小于lo～。当连续性方程、能量方程和动量方程中变量的残差绝对值小于设定值并不随迭代次数增加而发生明显改变时，认为计算收敛。换热器壳程流体介质为水，物性参数取定性温度下的参数值。边

7、界条件的具体设置如下：壳程人口采用速度入口，给定适当的湍流条件，初始温度为363K，流量5000～14000kg／h，每次计算以1500kg／h为间距递增；壳程出口采用压力出口，给定适当的回流条件，出口压力值为0Pa(表压)，计算结果取相对数值；缩放管壁面设置为无滑移边界(Wall)，并设置其温度恒定为300K；壳程轴线截面设置为对称边界(Symmetry)；壳体及接管壁面、折流板面和两端管板面均设置为不可渗透，无滑移绝热边界。2计算结果与分析2．1温度场分布在相同质量流量(9500kg／h)条件下，圆盘板上未开孔(d=0)

8、和开孑L直径d=10ram的缩放管盘环式换热器壳程轴线截面(X=0)温度场分布分别如图3所示。结果表明，换热器壳程流体的温度从入13到出13沿着轴线方向逐渐下降，这是流体与恒温壁面不断进行热量交换的结果；圆盘板上开孔对壳程流体的温度变化有一定的影响，开孔后流体温度与未开孔时相比，整体下降趋