69当代化工研究
Chenmical Intermediat
科研开发
2016-02
换热管束排列对换热器壳程流动与传热
影响的研究
。孙立勇
（中国石油天然气有限公司大庆炼化分公司黑龙江大庆163000）
摘要：利用CFD方法，计算出管壳式换热器换热管不同排列方式的三维压力场、速度场和温度场，并对不同排列方式下的压力损失，速度
分布和换热效果进行了对比，为换热器的理论设计提供了一定的参考。关键调：换热器：换热管来；排列方式：数值模拟
中图分类号：TK
文献标识码：A
ResearchontheInfluenceofHeatExchangerBundleArrangementonHeat
ExchangerShellFluidFlow
Sun Liyong
(DaQing Refining and Chemical Company, Daqing Heilongjiang, 163000)
Abstract:Taking methodof CFD to calculate3D pressurefield,velocityfieldand temperaturefield of fnubeshell heat exchanger and heat exchange ube in diferent arrangement modes andtake comparisonfor pressure loss,velocity distribution and heat transfer effect in different arrangement mode s to provide certain reference for theory design of heat exchanger
Key words: heatexchanger;hearexchangerbundle;arrangementmode; mmericalsimulation
换热器是炼化行业中的中要工艺设备，其传热效率对节能有很重要的影响。21世纪是能源短缺的世纪，传热技术的发展引人注目。运用数值模拟方法研究换热器的传热已经成为一种新的研究方向，特别是在换热的壳程流体与传热问题方面。
本文用管壳式换热器作为模型，利用CFD方法，对换热器壳侧流体进行了计算分析，比较了管束不同排列形式下，壳层流体的压力场，速度场，温度场等的计算结果与云图，分析了流道内的流动情况，为改善管壳式换热器的理论设计提供一定的参考。
换热器管束排列方式主要有三角形和正方形排列，其中三角形排列最为普遍。
、模型的建立及理论计算方法
1.换热器模型的基本情况
换热管长度：1620mm 壳体：273mmSm 换热管：19mm 换热管间距：25mm 折流板厚度：6mm 折流板间距：242mm
2.控制方程、边界条件设置
壳程流体：空气
流体入口温度：23℃ 管程流体：饱和水蒸汽管程温度：103℃
壳程进口平均速度：1.0ms
基于不可压缩的牛顿型流体，在常物性和宏观热能守恒的假设下，换热器管程和壳程流体的流动和热量传递必须满定质量守恒方程（连续性方程）、动量方程以及能量方程。计算区域采用正交六面体与四面体网格离散处理，考虑边界层对流动的影响，以使标准壁面函数法能满足对数率的要求，稳态隐式格式求解，保证收敛的稳定性；采用标准k-"
万方数据
流模型计算湍流参量对流场和温度场的影响；压力和速度参量的解耦采用Simple算法。动量，能量以及满流参量的求解采用二阶迎风格式：流体介质为空气，物性参数为等效温度下的常量：给定流体入口速度及相应的温度和满流条件：出口采用自由出口边界条件：换热器与外界无热量交换，壳体壁面和折流板采用不可渗透、无滑移绝热边界，并给定换
热管壁面温度：稳态不可压缩求解。二、建立模型，数值模拟并分析结果
对模型进行网格划分，为保证计算精度，本文模型网格采用六边形结构化网格和四边形非结构化网格相配合，网格总数约为180,000。应用有限体积法和非祸合稳态隐式格式求解控制方程组。
1.通过软件FLUENT进行分析，得出如下结果(1)通过数值模拟得出换热器壳程速度场
从下图2.1的速度分布图可发现，流速在界面上不是呈均匀分布的，壳程流道因受到折流板的影响而分成许多错流区，导致流动方向的变化，横向冲刷换热管束，呈错流传热，在较低的Re数下便能达到满流状态，换热管随着流体围绕运动而实现散热，流速的加大使得端流作用加强，从而提升换热效果；在折流板下方区域是顺流区，流体与管束呈平行流；折流板后方是涡流区，流体流速较为缓慢，小型漩涡再循环会使流体温度很快与管子的表面温度趋于平衡，热量无法及时传递到下游，局部换热效果很差，因此称为传热死区。