管殼式換熱器流動及傳熱的數值模擬

2016-11-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

管殼式換熱器流動及傳熱的數值模擬

尤琳(山東豪邁化工技術)

引言

換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、航空及其他許多工業部門廣泛使用的一種通用工藝設備。在化工廠中,換熱器的投資約占總投資的10%~20%;在煉油廠中,該項投資約占總投資的35%~40%。換熱器不僅能夠合理調節工藝介質的溫度以滿足工藝流程的需要,也是余熱、廢熱回收利用的有效裝置。鑒于換熱器在工業生產中的重要作用及其能耗較大的現狀,改進和提高換熱器的性能及傳熱效率成為節能降耗的重要途徑,將產生重要的經濟效益和社會效益。1換熱器介紹1.1換熱器分類適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器,結構形式也不同,按照傳熱原理分類,可分為:間壁式換熱器、蓄熱式換熱器、流體連接間接式換熱器、直接接觸式換熱器、復式換熱器;按照用途分類,包括:加熱器、預熱器、過熱器、蒸發器;按照結構分,可分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。

間壁式換熱器舉例

蓄熱式換熱器舉例

直接接觸式換熱器舉例

1.2換熱器研究及發展動向 (1)物性模擬研究換熱器傳熱與流體流動計算的準確性,取決于物性模擬的準確性。因此,物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一,特別是兩相流物性的模擬,這恰恰是與實際工況差別的體現。實驗室模擬實際工況很復雜,準確性主要體現在與實際工況的差別。純組分介質的物性數據基本上準確,但油氣組成物的數據就與實際工況相差較大,特別是帶有固體顆粒的流體模擬更復雜。為此,要求物性模擬在試驗手段上更加先進,測試的準確率更高,從而使換熱器計算更精確,材料更節省。物性模擬將代表換熱器的經濟技術水平。(2)分析設計的研究分析設計是近代發展的一門新興科學,美國ANSYS軟件技術一直處于國際領先技術,通過分析設計可以得到流體的流動分布場,也可以將溫度場模擬出來,這無疑給流動分析技術帶來發展,同時也給常規強度計算帶來更準確,更便捷的手段。在超常規強度計算中,可模擬出應力的分布圖,使常規方法無法得到的計算結果能方便、便捷、準確地得到,使換熱器更加安全可靠。這一技術隨著計算機應用的發展,將帶來技術水平的飛躍。將會逐步取代強度試驗,擺脫實驗室繁重的勞動強度。 (3)大型化及能耗研究換熱器將隨著裝置的大型化而大型化,直徑將超過5m,傳熱面積將達到單位10000 m2,緊湊型換熱器將越來越受歡迎。板殼式換熱器、折流桿換熱器、板翅式換熱器、板式空冷器將得到發展,振動損失將逐步克服,高溫,高壓,安全,可靠的換熱器結構朝著結構簡單,制造方便,重量輕發展。隨著全球水資源的緊張,循環水將被新的冷卻介質取代,循環將被新型、高效的空冷器所取代。保溫絕熱技術發展,熱量損失將減少到目前的50%以下。(4)強化技術研究各種新型,高效換熱器將逐步取代現有常規產品。電場動力效應強化換熱技術、添加物強化沸騰傳熱技術、通入惰性氣體強化傳熱技術、添加物強化沸騰傳熱技術、微生物傳熱技術、磁場動力傳熱技術將會在新的世紀得到研究和發展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺度換熱器、微通道換熱器、硫化床換熱器、新能源換熱器將在工業領域及其它領域得到研究和應用。(5)新材料研究材料將朝著強度高、制造工藝簡單、防腐效果好、重量輕的方向發展。隨著稀有金屬價格的下降,鈦、鉭、鋯等稀有金屬使用量將擴大,CrMo鋼材料將實現不預熱和后熱的方向發展。(6)控制結垢及腐蝕的研究國內污垢數據基本上是20世紀60~70年代從國外照搬而來。四十年來,污垢研究技術發展緩慢。隨著節能、增效要求的提高,污垢研究將會受到國家的重視和投入。通過對污垢形成的機理、生長速度、影響因素的研究,預測污垢曲線,從而控制結垢,這對傳熱效率的提高將帶來重大的突破。保證裝置低能耗、長周期的運行,超聲防垢技術將得到大力發展。2換熱器數值模擬本文以管殼式換熱器為例,通過workbench fluent 軟件進行流體流動和傳熱的模擬計算,以準確地預測管殼式換熱器殼程流動、傳熱熱性,以實現設計高效可靠的換熱器及評價和改造現有換熱器的性能。2.1問題描述研究對象為一潤滑油冷卻器,殼程為潤滑油,管程為冷卻水,冷卻器總長為0.92m,筒體直徑為0.207m,管程數為2,殼程數為1,流動形態為逆流,換熱器主要幾何尺寸和相關物性參數見下表。

2.2

幾何模型

用于有限元分析的換熱器的幾何模型包括殼程流體、管程流體以及傳熱元件換熱管;固體部分如管板、筒體、水蓋等部分均忽略,如下:

換熱器三維模型

2.3網格劃分在ANSYS Workbench 軟件中,采用四面體的非結構性網格對換熱器進行網格劃分,并對管程和殼程的流體進出處的網格采用refinement命令進行局部加密。整個模型共有節點Node1204955個,單元Element5038668個,有限元模型網格劃分見下圖。

2.4

邊界條件設定本文中的流體均為不可壓縮流體,采用基于壓力求解器(pressure based solver),三維空間(3D),單精度,定常流動,絕對速度。因涉及傳熱計算,故打開能量方程。根據模型條件計算雷諾數,管殼程流體流動可達到過渡流或湍流,湍流粘性采用k-Epsilon(2 eqn)模型,近壁面采用標準壁面函數(standard wall functions),壓力和速度解耦采用SIMPLE算法(semi implicit method for pressure linked equation),動量、能量及湍流參量的求解采用二階迎風格式。亞松弛因子等均按默認設置。計算流體采用速度入口條件,給定流體流速、溫度及相應的湍流條件。2.5結果與討論經ANSYS workbench Fluent 軟件豎直模擬后得到單弓形折流板換熱器流體速度、溫度、壓力云圖:換熱器的殼程和管程的整體壓力降都不是很大,殼程壓力降的梯度較管程更明顯;殼程流場的總壓力分布,沿著流動方向整體呈總體下降趨勢。流體在接管和筒體銜接處產生較大的壓力,單弓形折流板的圓缺處也有明顯壓降,每兩塊折流板間的較大區域內的壓降相對較小。

壓力分布云圖

殼程流體速度分布呈現周期性改變,即呈整體的“Z”型流動,這主要是由于單弓形折流板的存在,并且在每一塊折流板的圓缺處附近,流體的速度都有一個相對增加的區域,該區域速度值較大,并且完成了速度方向的改變。另外,距離入口最近的兩個圓柱的迎流區,速度逐漸減小,直至圓柱體表面形成流動駐點,該駐點的速度最低。在兩個圓柱體中間部分,由于流通區域逐漸變小,使得速度提高,根據伯努力方程,壓力逐漸降低。圓柱體周圍速度明顯低于周圍流體,但變化率有很大的一個薄層,即速度邊界層。管殼程流體從進口到出口的流線圖能清晰地描述流體的流動軌跡。