摘 要

管壳式换热器在化工、制药、石油、电力、动力机械等行业中受到广泛利用，这归功于其良好的工作性能，而这体现在它工作时的效率、稳定性及维护成本。本文将利用FLUENT软件对一般的无折流板管壳式换热器壳程与管程流体的流动与传热进行三维数值模拟。此次数值模拟是基于各向异性介质与分布阻力的共轭传热模型，采用了统一的网格对模型进行网格划分及标准的Realizable k-epsilon湍流模型及Scalable Wall Functions壁面函数。本文还在数值模拟计算对管壳式换热器的物理模型作了简化：流体稳态流动，壳体为绝热，管壁为定温。

模拟计算采用了空气与水进行换热的模型，通过设置三个不同的壳程空气进口速度，得到不同流体初速下不同特殊截面的速度矢量场、温度场以及压力场的分布情况。最后对数值模拟的计算结果进行了定性分析。

此外，模拟计算还改变了进口温度与进口流速，得到了换热器出口温度与速度的数据曲线，并通过此绘制了换热效率与压降及温差的关系曲线。最后通过模拟计算一种典型的带折流板的管壳式换热器，分析了内部流场各参数的分布规律。

关键词：管壳式换热器；流动换热；FLUENT软件；共轭传热

Abstract

Shell and tube heat exchanger is widely used in chemical, pharmaceutical, petroleum, electric power, power machinery and other industries, which is attributed to its good performance, which is reflected in its efficiency, stability and maintenance cost. In this paper, FLUENT software is used to carry out 3d numerical simulation of shell and tube fluid flow and heat transfer in general baffle-free tube-shell heat exchanger. This numerical simulation is based on the conjugate heat transfer model of anisotropic media and distributed resistance, and adopts unified grid for grid division and standard Realizable k-epsilon turbulence model and Scalable Wall Functions. The physical model of shell and tube heat exchanger is simplified by numerical simulation: steady flow of fluid, adiabatic shell, constant temperature tube wall.

The air and water heat transfer model is adopted in the simulation calculation. The velocity vector field, temperature field and pressure field distribution of different special sections at different initial velocity are obtained by setting air inlet velocity at three different shell passes. Finally, the numerical simulation results are qualitatively analyzed.

In addition, by changing the inlet temperature and inlet velocity, the data curves of outlet temperature and velocity of heat exchanger were obtained, and the relationship curves of heat exchange efficiency, pressure drop and temperature difference were drawn. Finally, a typical shell and tube heat exchanger with baffle plate is simulated, and the distribution rules of the internal flow field are analyzed.

Keywords: shell and tube heat exchanger; Flow heat transfer; FLUENT software; The conjugate heat transfer

目录

第1章 绪 论 7

1.1 管壳式换热器概述 7

1.2 管壳式换热器换热性能研究现状 7

1.2.1 实验与理论研究 8

1.2.2数值模拟研究 10

1.3 本课题研究内容及实验方法 11

第2章 计算流体力学基础与湍流模型介绍 12

2.1 计算流体动力学计算步骤 12

2.2 湍流模型的数值模拟 12

2.3 离散化计算方案 14

第 3 章 管壳式换热器数值模拟 14

3.1 控制方程式 14

（1） 质量守恒方程 (连续性方程)： 14

（2） 动量守恒方程： 14

（3） 能量守恒方程： 15

3.2 数值模拟过程 16

3.2.1前处理 16

3.2.2 计算求解 16

3.2.3 后处理 17

3.3 模拟计算的假设简化 17

3.4 换热器的结构参数 17

3.5 数值求解过程 17

3.5.1 创建几何模型 17

3.5.2 划分网格与定义边界条件 18

3.5.3 模型内部流场方程设置 19

3.5.4 换热器材料设置 20

3.5.5 边界条件设置 22

3.5.6 网格交互选项设置 23

3.5.7 流场计算初始化 23

3.5.8 计算后处理 23

3.6 模拟结果分析 24

3.6.1 不同冷热流体进口速度下的流场 24

3.6.2 不同冷热流体进口温差下的流场 28

3.7 换热器性能评价标准 31

3.8 进口速度、温度与压降、换热效率的相关性分析 31

第 4 章 折流板式管壳式换热器流场模拟计算 32

4.1 换热器几何模型设置 32

4.2 模型尺寸及材料 33

4.3 网格划分与边界条件设置 33

4.4 计算结果与讨论 34

第5章 结论 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪 论

1.1 管壳式换热器概述

各种形式的壳管式换热器可能是加工工业中最普遍和最常用的设备。它们是所有主要行业的重要设备，如化学品和化学品石化工厂，炼油厂，发电厂和冶金业务。它们用于多种应用，例如加热，冷却，冷凝和沸腾。这种普遍接受的原因有几个。首先，这些设备提供了相对大的传热面积与体积和重量的比率。它提供的表面形状相对容易构造成各种尺寸，并且机械坚固，足以承受正常的车间制造应力，运输和现场安装应力以及正常操作条件。有许多版本的基本配置，可用于解决特殊问题。壳管式换热器可以很容易地清洗。此外，可以容易地更换最易受损坏的部件，比如垫圈和管。

管壳式换热器的基本原理是两种流体在不同温度下流动，由壁隔开。由于温度差异，通过传导和对流机制发生从较高温度的流体到较低温度的热传递。壳管式热交换器中的壳侧流动非常复杂。入口和出口垂直于一般流动方向，使壳流动变得复杂。另外，挡板的存在使得流动更加复杂。因此，希望理解流场，并因此能够在两侧的宽范围的热负荷和质量速度上预测传热机制。

1.2 管壳式换热器换热性能研究现状

换热器的强化传热从广义上可以分为主动强化传热技术与被动强化传热技术两大类。主动传热强化需要外部对系统施加动力来实现强化传热的目的，如对流体进行搅拌、施加表面振动、流体振动、静电场、磁场等。

主动强化传热技术比较复杂，需要外部器械进行辅助，并不适用于大部分系统。被动强化传热指不需施加外力，依靠改造传热面、改变流道形状或附设导流原件等措施来改变流体的流动，促使边界层流体发生较大的扰动，以达到强化传热效果。主要通过优化换热器几何结构、改变流体物性等来提高传热速率，不需要外部设备且操作简单，因此更加广泛地被种强化方法复合来弥补单一方法的不足，以更高效提高换热效果。

应用于实际工艺中。强化传热技术的发展一般可以划分为5个阶段：第一代为光滑表面阶段，通过人为使表面粗糙化可称为第二代，第三代为插入件扰动阶段，第四代为喷流扰动阶段，第五代为使用旋流器等贴壁流扰动阶段。第四、第五代多为主动强化传热技术，由于主动强化传热技术运用条件较为复杂，目前国内外针对管壳式换热器强化换热的研究主要还是集中于被动强化传热技术。

换热器强化传热的目的是在相同动力消耗条件下，单位时间、单位面积下尽可能增加换热量。通过提高利用效率使其结构更加紧凑，占用空间少，节约原料同时提高生产率。针对管壳式换热器的强化传热主要有以下方式：管程强化传热、壳程强化传热、流体本身物性优化以及复合强化传热等。其中管程强化传热主要是通过改变换热管外形，在换热管表面加工形成凸起对流体进行扰动，从而强化传热。目前主要研究的强化换热管包括波纹管、横纹管、螺旋扁管、缩放管、翅片管等。在管内添加插入物，不断改变传热面形状扰动管内流体，常用的内插件有纽带、间隔纽带、螺旋片、螺旋线等。壳程强化传热可以通过改变换热管外形，在换热管外壁加工翅片形成扩展表面，增加换热面积，提高换热效率，以及通过优化壳程支撑结构来实现壳程强化传热。壳程管束支撑结构如弓形隔板、螺旋隔板等可以通过引导流体进行流动进行强化传热。针对管束支撑结构的研究主要集中在螺旋隔板结构的优化方面。除了换热器本身几何结构的优化，改善换热流体热物性也吸引研究者关注，主要研究集中于提高流体热导率和比热容。纳米流体是将纳米粒子分散在基液中，可以有效提高流体导热率，目前主要研究的纳米颗粒有TiO2、Al2O3、CuO、Cu、多壁碳纳米管等，常见基液为水、乙二醇等。潜热型热流体是一种以相变材料为基础的集储热和传热功能于一体的新型工质，主要有相变乳液及相变微胶囊悬浮液等。相变乳液是通过表面活性剂将相变材料乳化分散于基液中，而相变微胶囊是使用微胶囊封装技术将相变材料封装在聚合物中，形成核壳颗粒。潜热型热流体利用相变材料本身高潜热值而提高流体的比热容。

1.2.1 实验与理论研究

在早期Short（1943）和Donohue（1949）实验研究了无挡板热交换器中的传热现象。Short对不同的换热器尺寸和管道布局进行了一系列实验。Donohue（1949）解释说，在一个没有挡板的壳体中，流体与管子平行流动，类似于管子内部的流动。因此，根据Short（1943）的实验数据，他通过修改Sieder和Tate（1936）管道中传热的相关性，给出了无挡板热交换器壳侧传热的相关性。然而，所考虑的雷诺数的实验范围非常有限。

Kim和Aicher（1997）进一步扩展了这项工作，他们对32种不同类型的热交换器的壳侧传热进行了实验。他们检查过DS=34-150毫米，L=920-2000mm，NT=1–91和Re=500–50,000。他们在孔隙率方面给出了相关性，而不是壳体与管径之比。它们还表明喷嘴区域中的热传递比平行区域中的热传递高约40％。Aicher和Kim（1998）通过使用双管热交换器进一步扩展了这项工作。他们发现，在换热器较短的情况下，横流的影响较大。而且，随着喷嘴的自由横截面积与壳侧的自由横截面积的比率减小，横流的影响更加突出。他们建立了相关性来描述高湍流的努塞尔数Regt;10,000。

Uzzan等（2004）开发了一种具有逆流流动的双管热交换器内温度分布的分析解决方案。将结果与可用的实验数据进行比较。Dirker和Meyer(2004)，Dirker和Meyer(2005)年发现，同心环中传热系数的现有相关性彼此不一致。因此，进行了一组新的实验以开发新的相关性，其包括环形直径的比率。Gnielinski（2009）从文献中分析了大量的实验数据，找出了各种传热和摩擦系数相关性的适用性，并提出了它们的局限性。因此，他提供了环的内壁和外壁的改进的相关性。范齐尔等人(2013）对同心环进行了大量实验，强调传热系数和摩擦系数取决于环形直径比以及穿过管壁的热通量方向。

为了增强热交换器中的传热，挡板起着重要的作用，Li和Kottke（1998）对此进行了研究。他们在壳管式换热器的外表面上进行基于吸收，化学和耦合颜 色反应的传质实验。通过采用质量和热传递之间的类比将这些系数转换为传热系数。借助于传质测量，研究了具有挡板间距的每个管表面上的压降和局部传热的变化。加迪斯和格尼林斯基（1997）还研究了带有节流挡板的换热器壳侧压降。他们的方法是基于对理想管束压降的估计。此外，提出了修正系数，用于考虑泄漏流量和旁路流量以及窗口截面中的压降，如特拉华法中所述。Kara和Gararas（2004）提出了一种设计整个换热器的计算机程序。计算机代码具有设计分段折流U管热交换器的能力，在管侧具有一个或两个通道。壳侧的压降也在所提出的程序中计算。一种分析方法（基于Bell，1963），已经以简化和紧凑的数学表达形式提出Serna和Jimenez（2005）设计热交换器。Serna和Jimenez（2005）的分析表达努力地关注壳侧的压降，传热面积和传热系数。该方法适用于工业中使用的所有类型的热交换器，并且需要强调开发紧凑的数学表达式。鉴于此，Ayub（2005）提出了一种简单而准确的图表方法，用于估算节段壳管式换热器壳侧的传热系数。该方法基于多年来收集的实际实验数据。

Kapale和Chand（2006）开发了壳侧压降评估的理论模型，其中包括入口和出口喷嘴效应以及挡板区段的损失。设计程序通过Re范围10 3 -10 5的实验验证。该工作的主要部分集中在模型的开发上，以计算内部区域中的压降，其中挡板改变穿过管束和热交换器的窗口部分的流动模式。压降计算基于管束和窗口部分的实际流动模式。前面的讨论带来了广泛的实验努力。可以注意到，在相关性的持续改进中花费了巨大的努力。这种改进的可能性带来了保留感。在这种情况下，发生了下一个发展阶段，其中，人们认为理解流体力学与固 - 液界面附近的传热之间的关系是可取的。

1.2.2数值模拟研究

近几十年来，随着工业需求的不断扩大，因而对换热器结构及其性能都有了更高的要求。由于换热器结构固有的复杂性，以往的理论研究早已满足不了应用的需求，而以往对换热器的研究和开发都依据实验的方法，以理论为基础，测得数据，再推出其流动与传热的关系式。试验方法虽有优点，但受到其条件，如换热器结构、试验周期、费用等许多因素的制约，而且难以得到详细的流畅与温度场。随着对换热器要求的不断发展，以前单一的实验研究方法显得非常不足。

20世纪60年代以来，随着电子计算机技术的发展，越来越多的数值模拟技术应用于换热器的传热研究。比起实验研究的方法，数值模拟有使用方便、灵活、不需要真实场地、研究周期较短、且容易模拟较复杂或较复杂工况。通过分析软件可以得到流体的流动分布场、温度场及速度矢量场等，对换热器及其传热的研究更加清晰明了。

管壳式换热器内部流场是一个复杂的三维流动过程，国内外大多数研究都是主要针对壳侧的流场。早期的数值模拟比较简单，包括稳态模拟与动态模拟，器的设计模拟计算。

随着数值技术和计算速度的提高，科学家逐渐开始使用计算流体动力学（CFD）作为评估各种类型换热器中的流量分布和传热的快速有效工具。Prithiviraj和Andrews，1998a，Prithiviraj和Andrews，1998b，Prithiviraj和Andrews，1999 开发了一种基于分布式电阻法的3D数字代码，以及体积孔隙率和表面渗透率，以模拟带挡板的壳管式换热器中的管。在该方法中，单个计算单元可以具有多个管; 因此，壳侧可以粗糙地啮合。此外，该方法还模拟压降和温度场和CFD预测与实验值之间的一致性分别在±7.4％和15％之内。王等人。（2009）通过使用商业CFD代码FLUENT研究了整体传热速率和通过螺旋挡板的壳侧压降，并且作者在CFD预测和实验测量之间获得了良好的一致性。Ozden和Tari（2010）提出了用于模拟小型换热器壳侧的CFD应用。在商业尺寸的壳管式热交换器中，壳侧流动通过挡板的泄漏流以及旁通流而变得复杂。但是，在小型热交换器中，泄漏流量可以忽略不计。Ozden和Tari（2010）还使用FLUENT 6.3进行CFD模拟。使用标准进行模拟k–ε，第二顺序k–ε，可实现的k–ε模型和Spallart-Allmaras湍流模型。挡板的数量从6到12变化。通过对数平均温差（LMTD）从模拟得到的温度曲线评估传热。研究的重点是各种类型的挡板及其切割，间距等对压降和传热的影响。

Bhutta等人（2012）报告了对热交换器领域中进行的CFD模拟的文献的广泛回顾。本综述文章系统地汇总了各种关于热交换器中流量分布不均，结垢压力和热传递的研究。Zeng和Zhang（2012）研究了管壳式换热器长径比对流体流动分布不均和传热性能的影响;为了缓解同样的问题，提出了一种多平行通道入口和出口结构。假设在FLUENT中采用多孔介质方法进行模拟。Afrianto等人（2014）利用FlUENT 12研究了具有节流挡板的1-2通道管壳式换热器中LNG流的质量流量和传热特性的影响。

最近，由于易于访问和根据研究案例定制代码的能力，开源代码正在被越来越多地使用。陈等人（2014）强调了OpenFOAM CFD代码的重要性，并指出了它在学术和工业环境中的广泛使用。熊等人（2014）开发了基于OpenFOAM的代码，它能够通过结合多相流体动力学和化学反应的全球化学动力学来模拟反应堆规模的生物质的快速热解。

前面的讨论表明，在过去的40年中已经报道了大量的实验工作。但是，对于低侧壳体侧面的3D CFD模拟，可获得的信息很少L/Dh(lt;21)无挡板和挡板式换热器 (Relt;20000)。在这种热交换器中，一般的传热相关性不适用，因为该系统是横流的混合物以及沿管的平行流动。因此，人们认为在这方面进行系统工作是可取的。首先，开发了一个CFD模型，并根据报告的实验数据进行了严格的验证。接下来，在无挡板和挡板的壳管式换热器（STHX）的壳侧进行了详细的流动和温度分布，并进行了传热。在无挡板的热交换器中，壳内产生的湍流相对较小。发现在出口处施加短出口长度的边界条件在解决方案中产生分歧，因为假设出口处的完全发展的流动不成立。

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