固定管板式换热器的温度场数值分析china.toocle2009年04月21日15:03生意社生意社04月21日讯固定管板式换热器的温度场数值分析郭崇志林长青(华南理工大学)摘要:在对实际结构进行合理简化的基础上,以影响流动和传热的主要结构建立了某固定管板式换热器温度场数值计算模型,采用分段模拟、整体综合的方法,利用CFD软件Fluent对该换热器在正常操作工况下的流动与传热情况进行了数值模拟,得到了计算流道上有关各个构件的壁温场分布,并把主要结构CFD数值计算的结果与实测温度数据进行了对比。结果表明,CFD模拟模型数值分析得到的温度数据与实测数据相符,说明温度场的数值模拟分析方法及其流动条件的假定是符合实际的,计算参数选择是合理可行的。有关固定管板换热器中管束、管板和壳体的温度梯度变化情况的分析表明,尽管在它们的轴向、周向和径向都存在温度梯度,但是温度梯度变化最大的方向是轴向,这意味着轴向将产生最大热应力。关键词:固定管板式换热器温度场温度梯度TQ051·5文献标识码A0254-6094(2008)06-0338-07管壳式换热器是进行热量传递的通用工艺设备。由于其具有结构坚固、操作弹性大、使用经验丰富及可靠性高等优点,目前在工业装备中得到广泛采用,其中固定管板式换热器应用最为广泛。众所周知,固定管板式换热器的工作可靠性受管壳壁温差(或温差应力)的影响很大。因此,对换热器工作状态下温度场分布的研究对于如何降低管壳壁的温差应力,努力提高固定管板换热器的使用可靠性,延长其服役周期和使用寿命,提高热交换系统或热能动力系统的系统可靠性有着十分重要的意义[1]。有关管壳式换热器的温度场研究,目前大多数文献集中于研究管板的温度场及所产生温差应力,以及由此导致的结构强度等问题[2~7],通常利用Ansys大型商用软件进行管壳式换热器管板结构的温度场研究,采用简化的三维实体模型较多,一般利用已知的平均温度或利用已知的换热(膜)系数对几何结构模型加载,而这些已知条件通常于手册提供的数据或者经验数据,并非于严格的换热器流体力学与传热的数值计算,因此是产生结果计算偏差的主要原因之一。目前文献对于给定工艺条件下管壳式换热器的整体温度场研究的并不多,由于准确的温度场是研究温差应力及其危害的前提,因此本文利用Flu-ent软件对一台固定管板换热器的约束构件之间的整体结构在正常运行工况下的温度场数值计算问题进行了研究,首先从计算流体力学与传热的角度出发,利用CFD软件Fluent的流体流动与传热数值模拟功能,采用分块划网、分段模拟的方法建立换热器壳程主要流体与结构的三维实体流道模型[8],进而进行温度场的数值计算,随后对Flu-ent数值计算所得到的结构壁温分布特点进行了分析,研究了包括管束、壳体及管板的约束构件之间的温度场在轴向、径向及周向温度梯度的变化情况,为进一步深入研究固定管板式换热器温差应力数值计算问题建立了基础。1基本方程对于所有的流体流动,CFD的通用分析软件Fluent都是求解质量和动量守恒方程。对于包括热传导或具有可压缩性的流动,需要解能量守恒的附加方程。笔者通过选择工艺流体及流动空间,重点进行换热器管壳程的整体温度场数值计算,计算使用的能量守恒定律微分方程表达式[9]如下:2湍流数学模型在换热器中壳程内流体一般呈湍流流动状态。工程中对湍流问题的解法通常为雷诺时均方程法,在这些方程中任一瞬时参数都可以用平均量与脉动量之和来代替,并且可以对整个方程进行时间平均运算。标准k-ε方程的表达式[9]为:标准的k-ε模型在模拟带有弯曲壁面的流动时会出现失真,RNGk-ε模型则是为了改进其这一缺陷应运而生的。它通过大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺寸的影响,而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除,故RNGk-ε模型的表达式[10]为:3分析模型的建立3.1模型结构及参数固定管板式换热器结构如图1所示,主要结构参数为管心距Pt=19mm,管板厚δ=12mm,壳体?115mm×6.5mm×1406mm,换热管18-?12mm×3mm×1500mm,导流筒?92mm×1mm×120mm,折流栅Dbo=100mm、Dbi=89mm,折流栅间距B=50mm,折流杆直径Dr=3.2mm。折流栅的布置以及与换热管之间的装配如图2、3所示,4个折流栅为一组,从4个方向(0°、60°、120°、180°)支撑换热管。正常工...