基于三维实体模型的纵流壳程换热器数值研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

中图分类号： TH12；TK172 文献标识码 ： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.01.005Numerical Research on Heat Exchanger with LongitudinalFlow of Shel1.side Based on 3.D Solid M odelLIU Min-shan，DU Qing-fei，BAI Cai-peng，PAN Yan-kai(Key Laboratory of Process Heat Transfer and Energy Saving of Henan Province，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China)Abstract： The flow and heat transfer characteristics in the shel-side of the heat exchanger with trefoil-tube-support plates werenumerical studied by using FLUENT.Th ePeriodic Whde Cross-section computation ModelandPeriodic Unit Duct Modelwere built，and the computed results of the two models were comparatively analyzed.It turned out that，the computed result ofthe two models become closer with the diameter of the shell(D)increasing；when D>800mm，the error between the computedresults of the two models has dropped to 10% ，and thePeriodic Unit Duct Model”have practicability and applicability；when D<800mm，the modifer algorithm of thePeriodic Unit Duct Model”was proposed，and the modifed formula of the convectiveheat transfer coeficients and the pressure gradient were provided。

Key words： trefoil-tube-support plates；heat exchanger，numerical simulation1 前言在计算流体力学、计算传热学及计算机技术日益发展成熟的今天，数值模拟以其灵活、方便、开发周期短、研究费用低等优点广泛应用在换热设备开发与设计中，成为换热器技术发展的-个重要研究方向。纵流壳程换热器以其传热死区少、传热效率高以及能有效减小管束诱导振动等优点在石油、化工、能源等工业部门中得到了广泛收稿日期： 2012-02-09 修稿日期：基金项目： 国家自然科学基金项目(51076145)应用 .2 J，针对该类换热器的数值模拟方法也出现了多种形式。根据实际换热器的尺寸建立整体模型可以真实地获得换热器壳程整体传热和流动状况，但是整体模型的网格较多，对计算机性能要求较高，计算费时费力，-定程度上限制了其应用 J。如果不考虑换热器壳程进出口的影响，在纵流壳程换热器壳程内的充分发展段，可采用周期性全截面计算模型”进行研究，不仅可以真实地获得换热器壳程充分发展段的流动和传热性22 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，2013能，而且相对于整体模型也提高了计算效率 ，但是当换热器壳体直径较大时，同样受到计算机性能的限制。对于壳程结构具有对称性的纵流壳程换热器，经过-定的简化后，可建立单元流道模型”，该模型由于只选然热器壳程内-个单元流道作为研究对象，所以不受换热器壳体直径和换热管数量的限制，结构简单，网格数量少，大大节约了计算机资源，提高了计算效率，且其结果也得到了试验验证，大体上能够反映换热器的整体性能 。

虽然周期性全截面计算模型”和单元流道模型”在-定程度上都能有效反映换热器壳程内的流动和传热特性，但由于建立单元流道模型”的前提假设是忽略换热器壳体壁面的影响以及各单元流道之间的相互影响 ，而周期性全截面计算模型”则综合考虑了以上因素，理论上较单元流道模型”更接近真实值，所以两种模型的计算结果必然存在-定的误差。本文针对三叶孔板换热器分别建立上述 2种数值模型，并进行对比研究，分析壳体内径不同时两种数值模型计算结果之间的误差以及产生误差的原因，得出单元流道模型”的适用范围，并提出三ni-：L板换热器周期性全截面计算模型”对单元流道模型”的修正算法，给出对流传热系数和压力梯度的修正关联式2 三叶孔板换热器简介三叶孔板换热器是核电站常用的新型换热设备之-，在核辅助系统(如机组冷却水系统等)中占有重要地位 。三叶孔板换热器为纵流壳程换热器的-种，其三叶孔支撑板结构如图 1所示。

图1 三叶孔支撑板结构示意与传统的核电用弓形折流板支撑相比，该种支撑结构将壳程流体由横掠管束改为纵掠管束，能有效减少流动死区并减弱管束诱导振动 ；且由于支撑板孔内产生的流体射流，可以减携学物质、腐蚀物质等在换热管壁面的沉积，使得换热管壁面附近区域传热和腐蚀状况大为改善，减小了换热器失效的概率 。

3 物理模型及计算方法3.1 物 理模 型对于正三角形排列的三叶孑L板换热器，其结构具有对称性，如图 1所示。在三叶孔板换热器的充分发展段，流体的流动具有周期性，对三叶孔板换热器壳程结构进行-定的简化后 ，可建立周期性全截面计算模型”，由于该换热器壳程结构具有对称性 ，因此在建模时取相对称的-半实体，如图2所示。如果忽略壳体壁面对流动和换热的影响，则可取三根管子所包 围的流体流动空间为-个单元流道，从而建立单元流道模型”，如图3所示。换热器主要结构尺寸见表 1。

图2 周期性全截面计算模型示意图3 单元流道模型示意表 1 计算模型的主要几何尺寸换热管 换热管中 布管 三叶孔孔 支撑板厚 支撑板间型号 心距(mm) 方式 高(mm) 度(mm) 距(mm)正三 150、300、 击14X 1 19 2.3 10 角形 60o2013年第41卷第1期 流 体 机 械 233.2 计算方法及边界条件利用Gambit软件进行建模，采用分块划分的方法进行网格划分，模型中网格全部为正六面体网格，质量较好，且网格尺寸均经过独立性校核。

壳程介质采用常物性水；换热管壁为恒壁温，壳体壁面和支撑板为不可渗透、绝热、无滑移边界条件；采用标准k-湍流模型，稳态隐式格式求解，压力速度的耦合方式采用 SIMPLE算法。

4 计算结果分析4.1 2种模型计算结果比较本文分别用周期性全截面计算模型”和单元流道模型”对支撑板间距为 150mm、300mm、昌辍垛 蕞迎 昌垛 蕞垃壳体内径(mm)(a)Re6000壳体内径(mm)(c)Re15000暑邑魁吕皂肇600mm，壳体 内径为 200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、800mm的换热器进行了数值模拟研究，在流体平均流速相同时，对2种模型的计算结果进行了比较。计算时取流速为 0.28m/s、0.47m/s、0.7m/s、0.93m/s，如果 当量直径按照d (4 z /2-叮T /4)/(订d。)(z为管间距，d。

为换热管外径)来计算 ，则对应的当量 分别为6000、10000、15000、20000。图4显示了支撑板间距为 150ram的模型在 不同时的计算结果， 和△p 分别为周期性全截面计算模型”计算得到的传热系数和压力梯度， 和 卸 分别为单元流道模型”计算得到的传热系数和压力梯度。

吕垛蕞g；000500000壳体内径(ram)(b)Re10000壳体内径(ram)(d)Re20000昌邑暑邑鉴图4 2种模型在不I司如 时计算结果比较从图4可以看出，当壳体内径较小时，周期 大，壳体壁面对流体流动的影响较大，导致2种性全截面计算模型”和单元流道模型”计算得到 模型计算结果差距较大；随着壳体内径的增加，的对流传热系数和压力梯度差距较大，随着壳体 壳体壁面的影响逐渐减小，2种模型的计算结果内径的增加，两种模型的计算结果逐渐接近。这 逐渐接近。

是由于单元流道模型”建立的前提假设是忽略 图5，6分别显示了单元流道模型”相对于壳体壁面对流体流动的影响以及各单元流道之 周期性全截面模型”计算的对流传热系数和压间的相互影响，而周期性全截面计算模型”则 力梯度的误差∩以看出，当壳体内径为800mm兼顾了以上两种因素。在壳体内径较小时，壳 时，对流传热系数的误差在 10%左右，压力梯度体内壁附近区域占流体总流动区域的比重较 的误差已小于 10%，满足工程需要，故当壳体内FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，2013径大于800mm时，可以用单元流道模型”代替周期性全截面计算模型”对换热器壳程流体流动和传热性能进行预估。

5025080翥40O200 500 800壳体内 (mm1图 5 对流传热系数误差200 500 800壳体内径(mm1图6 压力梯度误差4.2 对2种模型计算结果误差的影响以支撑板间距150mm、壳体内径300mm的模型为例，在 为6000～50000时，对 2种不同模型进行了计算，且分析了相同雷诺数下周期性全截面计算模型”与单元流道模型”计算 的对流传热系数的比值(O/ /or)和压力梯度的比值(却 /，ap)随 的变化关系，如图 7所示∩以看出，当 e在 6000-50000之间变化时，Od /a的最小值为1.36，最大值为 1.41，△p /△p的最小值为 1.76，最大值为1.81，变化范围很小；且随着 的增大， /or和△p lap的值上下波动，没有明显的变化趋势。故可以认为，换热器结构尺寸-定时，Ot /ol和 △p /△p不随 的改变而改变图7 /oz和 却 /ap与 ＆ 的关系4.3 三叶孔板换热器单元流道模型”的修正由4.1可知，当壳体内径大于800ram时，单元流道模型”的计算结果已比较接近实际值，但在壳体内径小于等于800mm时，与实际值还存在较大误差。为了进-步完善和发展单元流道模型”，对壳体内径小于等于800ram时不同结构的周期性全截面计算模型”和单元流道模型”的计算结果进行对比，用前者对后者进行修正，并利用最sJ-，s.乘法原理和多元线性回归对计算结果进行拟合，得到单元流道模型”的对流传热系数和压力梯度的修正关联式如下：P -O tt4. 4( )-。 ( )-。· cP却 a△pp，15.09( )- 嘶( ) ∞ c2式中 P --对流传热系数修正因子Ot ， --周期性全截面计算模型”、单元流道模型”的对流传热系数，W/(m ·K)P --压力梯度修正因子△p ，△p--周期性全截面计算模 型”、单元流道模型”的压力梯度，Pa/mD--换热器壳体内径，mm- - 支撑板间距，mmd -当量直径，mm对单元流道模型”修正后的结果与周期性全截面计算模型”的计算结果进行对比，结果如图8，9所示。从图可以看出，经过修正后的对流传热系数与周期性全截面计算模型”计算结果的误差不超过 10%，压力梯度 的误差不超过15%，满足工程需要。故在换热器壳体内径小于800mm时，可以通过建立单元流道模型”并使用式(1)和(2)对其结果进行修正的方法，获得换热2013年第4l卷第1期 流 体 机 械 25器壳程对流传热系数和压力梯度，以节约计算机资源，提高计算效率。

Ⅲ蚂琳茁球士5 结论Oo 8000 16000周期性全截面计算模型”计算结果图8 对流传热系数修正值误差O0 17500 35000周期性全截面计算模型”计算结果图9 压力梯度修正值误差(1)单元流道模型”相对于周期性全截面计算模型”的计算结果的误差随着壳体内径的增大而减小，且周期性全截面计算模型”与单元流道模型”计算的传热系数的比值(Ot /a)和压力梯度的比值(ap /ap)不随Re的变化而变化 ；(2)当换热器壳体内径大于等于800mm时，单元流道模型”相对于周期性全截面计算模型”的计算结果的误差已经降至 10%左右，在工程允许范围之内，此时可以使用单元流道模型”来获得换热器壳程流体流动和传热性能；(3)当换热器壳体内径小于800mm时，单元流道模型”已不能准确反映换热器壳程流体流动和传热特性，本文提出了用周期性全截面计算模型”对单元流道模型”的修正算法，使用修正关联式对单元流道模型”的计算结果修正后不仅可以满足工程需要，且节约了计算机资源，提高了计算效率，为纵流壳程换热器单元流道模型”的发展、完善以及进-步的工业应用提供 了理论依据。