管壳式换热器流动与传热特性研究

李倩   谭丽丽

山东金塔机械集团有限公司 山东泰安 271600

摘要：管壳式换热器，作为一种在现代工业中具有广泛应用的关键设备，特别是在电力、船舶制造、石油化工等领域中发挥着至关重要的作用。这种类型的换热器因其相对简单的加工工艺、较低的制造成本以及出色的可靠性而受到青睐。在这些行业中，有效的热管理是保证系统高效运行的基础，而管壳式换热器正是实现这一目标的有效工具。因此，本文将对管壳式换热器流动与传热特性进行研究，希望提高设备运行效率。

关键词：管壳式换热器；流动特性；传热特性

前言：管壳式换热器的优化和改进是一个复杂而多维的任务，涉及到流体动力学、传热学、材料科学等多个领域的综合考量。通过数值模拟这一强大的工具，结合计算流体力学的深入研究，可以有效指导管壳式换热器的设计与优化，推动工业热交换技术的创新发展。

一、构建模型

换热器这一设备，其主体结构可分为四大部分：壳体框架、用于进出的冷热水口、贯穿其中的冷水管以及分隔的挡板。这种设计使得它能高效地实现热量交换。在材质选择上，水管采用了高导热率的铜材料，而壳体以及其它构件则使用了稳定性好的碳钢，整体上选择了适合水作为工作介质的材料。 具体到布局，热水通过换热器的上端进口进入，经过热交换之后，冷却后的水从下端出口排出。与此同时，冷水则从左侧的入口注入，并在经过铜质水管中的热交换后，从右侧出口流出。换热器内设置的挡板使水流能够在通过铜管时形成更加复杂的流动路径，从而增加热交换的效率[1]。内部共配置有9根冷水铜管，这些铜管在整个热交换过程中起到了至关重要的作用，有效地促进了热能的传递与分配。通过这样的一个精巧布局与材料的精心选择，换热器能够在保证稳定运行的同时，高效地完成冷热水之间的热量交换任务，既节能又环保。

在进行压力-速度耦合方程的数值模拟时，选用Coupled算法作为主要的求解方法。此算法因其在处理流体动力学问题时的高效率和准确度而广受欢迎。为了提高计算的精确性，动量方程、能量方程以及压力方程均采用了二阶迎风格式。这种格式能够在保持数值稳定性的同时，提高解析结果的准确度。除此之外，在处理其他相关方程时，则采用了一阶迎风格式，此举是为了维持计算过程的平衡，既保证了计算精度，又避免了过度复杂化。在模拟的网格划分方面，选择了结构化网格。结构化网格因其计算效率高和易于生成高质量网格而被广泛应用于各种流体动力学和传热学问题中。为确保模拟过程中流体流动和换热计算的准确性，特别在固体与流体接触的界面处加入了边界层。这一步骤是至关重要的，因为边界层对于捕捉壁面附近的流动特性和热传递过程非常关键。
    进一步地，为保证网格质量，特别要求网格的纵横比需大于0.8，这是因为合适的纵横比可以保证结果的可靠性和计算的效率。此外，偏斜系数的控制在小于0.3，这确保了网格的均匀性和计算域内流动的物理特性被精确解析。网格质量直接影响到模拟结果的准确性和可靠性，因此这些要求至关重要。仿真计算的精度控制方面，特别将能量方程的残差精度设定为10^-6，而其他方程残差精度则设定为10^-4。这种精度设置是基于模拟过程中不同方程对结果准确性影响的不同重要程度。能量方程直接关系到换热模拟的准确性，因此赋予了更高的精度要求，而其他方程虽然也很重要，但略微降低残差精度要求可以在确保计算准确性的同时，提高计算效率。

二、结果分析

（一）流速对流动与传热特性的影响

在进行换热器内部水流动力学和热交换效果的详细仿真分析时，特别关注了挡板对水流产生的旋流效应以及其对湍流状态的影响。为了更加精确地预测流体流动的复杂性和热交换的效率，选用了Relizable k-ε湍流模型，这个模型因其对湍流旋转流动以及流体压力应变率的精确描述而被广泛认可。设定模拟条件时，为了模拟真实的运行环境，冷热流体的入口均设定为具有特定速度的流入方式。具体地，冷流体的温度被设置为20℃，而热流体的温度则为90℃，以模拟换热器中常见的温度差异[2]。同时，环境温度也被设定为20℃，并且流体的出口采用基于压力的出口条件，以确保流体的正常流出。进行数值求解时，采用了Coupled算法来解决压力和速度之间的耦合问题，这种算法能够提高求解过程的稳定性和精度。同时，为了确保计算结果的高精度，选用了二阶迎风格式来离散压力、动量和能量方程，而其他变量则采用了更为稳定的一阶迎风格式进行离散。
    在网格设计方面，采用了结构化网格来应对换热器内部复杂的几何结构。在固体与流体的交界面附近特别增加了边界层网格，以提高模型在描述流体流动和热交换时的精细程度和准确性。此外，为了确保流动解的质量，保持了网格的纵横比大于0.8且偏斜系数小于0.3的标准。仿真计算的过程中，能量方程的残差精度被严格控制在10^-6以内，而对于流动方程的其它残差，则维持在10^-4的水平。这样的精度设置确保了计算结果的可靠性和准确性，为后续的分析和优化提供了坚实的基础。通过这样一套细致入微的分析与模拟设置，能够深入了解换热器内部流体的动态行为及其对热交换效率的影响，为优化设计和提高换热器性能提供了有力的支撑。

（二）挡板数对流动与传热特性的影响

通过对换热器运作效率的细致分析，我们得以揭示了热流体流过换热器时的动态变化过程。热流体首先从换热器的上部管道进入，穿过其中的挡板障碍物后，再从下部管道离开壳体。挡板的存在不仅仅是一个简单的障碍，它在热流体通过时会因阻碍作用而引发涡流的产生，这种现象随着流速的增加而更加显著。进一步观察涡旋现象可以发现，当热流体与换热器内部的水管外壁进行热量交换时，挡板引起的碰撞和涡旋作用促进了热能的传递。随着流速的加速，换热过程中产生的涡旋也随之增强，使得流体的流线更加密集，并相应地提升了换热速率。
    值得注意的是，在不同流速下，热流体的出口平均温度表现出明显的变化趋势。在较低的流速条件下，随着流速的逐步提高，出口处的平均温度会逐渐降低，但这种降温趋势在流速持续增大后加速[3]。特别是当流速超过5m/s时，平均温度下降的速度开始减缓，显示出与4m/s至5m/s流速下的温度下降趋势有明显不同。具体来说，热流体的出口平均温度由83.66℃降至74.29℃，降温幅度约为11.2%。进一步分析换热效率与流速之间的关系，可以发现换热系数随着流速的增加而逐渐减少，其中换热系数的变化趋势几乎与流速成反比关系。这意味着，虽然增加流速可以加快热量交换的初期速率并在一定条件下促进温度快速降低，但过高的流速反而会降低整个换热器的换热效率，从而影响到整体的热交换性能。这些结果表明，换热器设计和运行过程中，挡板对流体动力学特性的影响，以及流速对换热效率的影响是密切相关的。合理控制流速，以及对挡板的位置和数量进行优化，可能是提高换热器效率的关键因素。因此，在设计和操作换热器时，应该综合考虑流体的流动特性和热交换的需求，从而达到最优的热交换效率。

结语：从上述阐述分析可知，在设计和操作管壳式换热器时，需要权衡流速的选择和挡板配置，这两个因素共同决定了换热器的性能。通过调整这些参数，可以实现换热效率与设备运行效率的最优化，为企业的长远发展贡献积极力量。
参考文献：

[1]陈加淮.管壳式换热器流动与传热特性研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2023,41(06):95-97.

[2]张路宝.内置肋丁胞管内流动与传热特性研究[D].兰州交通大学,2023.DOI:10.

[3]王珂,孙光毅,安博,等.人字形角对导孔型板壳式换热器壳程流体流动与传热特性的影响[J].压力容器,2023,40(03):7-15.