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1、固定管板式换热器的温度场数值分析http://china.toocle.com2009年04月21日15:03生意社生意社04月21日讯 11 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
2、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 温度梯度中图分类号 TQ051·5 文献标识码 A 文
3、章编号 0254-6094(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
4、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 通常来源于手册提供的数据或者经验数据,并非 来源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
5、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
6、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
7、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:113 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
8、装配如图2、3所 示,4个折流栅为一组,从4个方向(0°、60°、 120°、1