单管程热交换器管箱防冲板结构的模拟与分析.pdf

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1、第53卷第4期化　工　设　备　与　管　道Vol.53No.42016年8月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGAug.2016单管程热交换器管箱防冲板结构的模拟与分析刘相斌，王玉，常阳，黄伟昌，戴洋，徐大鹿，任文远，孙志涛，钱江（沈阳汇博热能设备有限公司，沈阳110168）摘要：针对单管程换热器管箱防冲板做了模拟仿真，分析了蒸汽通过不同结构防冲板后，对于管板的冲击情况。分别以圆形防冲板、锥形防冲板、圆形带孔防冲板为研究对象，通过仿真得出，在相同参数条件下，圆形带孔防冲板实现管板表面流速

2、均匀、冲击小的效果最好。关键词：换热器；管箱防冲板；管板；CFX；流速中图分类号：TQ051.5；TH122文献标识码：A文章编号：1009-3281（2016）04-0041-003设计管壳式热交换器，除换热管、壳体、管板、在Solidworks中建立三维模型，如图2所示。封头、设备法兰等主要元件之外，一些辅助元件，对设备的正常运行也起到非常重要的作用。但设计者往往将更多精力集中在主要受压元件的设计上，忽略了[1]辅助元件的重要性，使换热器不能正常运行。防冲板设计便是其中问题之一，本文选取管程

3、防冲板为研究对象。1实体建模根据管壳式换热器相关标准建立单管程实体模[2]图2管箱三维模型型。下面仅以圆形防冲板为例，锥形防冲板及圆形Fig.2Modelofthetubebox带孔防冲板采用相同方法进行计算。模型尺寸如图1所示。为便于叙述，下面称圆形防冲板为Ⅰ型板，锥Ⅱ型板为120°锥角，锥形底面位置与Ⅰ型板底形防冲板为Ⅱ型板，圆形带孔防冲板为Ⅲ型板。面平齐，其余参数与Ⅰ型板相同；Ⅲ型板为在圆形板内钻5个φ15圆孔，其余参数不变。2仿真计算ANSYSCFX作为当今最流行的CFD分析软件之一，具

4、有求解精度高、运行速度快等优点。只要涉及流体、热传递及化学反应和燃烧等的工程问题，都可以用CFX进行求解。其在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机等设计领域有着非常广泛的应[3]用。本文选用CFX作为流体分析的工具。1.接管法兰；2.接管；3.拉筋；4.圆形防冲板；5.短节；6.管箱法兰；7.管板收稿日期：2015-11-11图1带防冲板的管箱模型尺寸作者简介：刘相斌（1989—），男，辽宁辽阳人，助理工程师。主Fig.1Parametersofthetubeboxwithimpingemen

5、tplate要从事压力容器设计工作。·42·化　工　设　备　与　管　道第53卷第4期2.1网格划分下面仅以Ⅰ型板为例，Ⅱ型板及Ⅲ型板采用相同方法流程进行计算。将Solidworks建立的模型导入DesignModeler中，提取流道模型。后进入ICEM编辑网格，命名流域出入口。流域模型如图3，网格如图4所示。图5管板附近流速分布（Ⅰ型板）Fig.5Velocitynearthetubeplate（typeⅠ）图3流域模型Fig.3Modelofthefluiddomain图6管板附近流速分布（Ⅱ型

6、板）Fig.6Velocitynearthetubeplate（typeⅡ）图4流体网格Fig.4Meshofthefluiddomain2.2参数设置及运算图7管板附近流速分布（Ⅲ型板）在前处理中完成相关流域及边界条件设定，介Fig.7Velocitynearthetubeplate（typeⅢ）质为150℃水蒸气，管口入口流速10m/s，选用k-ε模型进行流体运算。后求解生成结果文件。对比图5和图6，图5变化更均衡，即Ⅰ型较Ⅱ型，管板附近流速更均匀；对比图5和图7，图7变3数据分析化更均衡，即

7、Ⅲ型较Ⅰ型，管板附近流速更均匀。分别完成Ⅰ型板、Ⅱ型板、Ⅲ型板的模型计算后，3.2管板附近流体流速数据分析提取结果数据，生成所需云图。本文目的在于分析流标准差可用于反应数据的离散程度，这里选其体经过不同形状防冲板，对管板冲击情况，即管板附为判断标准之一。在Ⅰ型板仿真分析的平面内均匀提近流体轴向流速分布，为便于数据分析与显示，这里取约3万个数据点，每个数据点均有一个速度，求各取管板上方10mm处平面为研究对象。个数据点速度的标准差。Ⅱ型板、Ⅲ型板采用相同方平面内流体轴向流速分布越均匀，流速变化越式

8、得到标准差值如表1。小，即认为流体对管板冲击越小，防冲效果越好。以对比数据可知，流速标准差值，Ⅲ型＜Ⅰ型＜Ⅱ此作为判断防冲结构优劣的依据。为便于阐述，下文型，即在所研究平面内，Ⅲ型的流速更趋于平均，其除特殊指明，流速均指轴向流速。次为Ⅰ型，再次为Ⅱ型。前面提到，流速越均匀即认3.1管板附近流速云图为防冲效果越好。即在此模型下，就使管板附近流速如图5~7，分别为三组模型下的流速云图。均匀方面而言，从优到劣的顺序为Ⅲ型、Ⅰ型、Ⅱ型。2016年8月刘相斌，等.单管程热交换器管箱防冲板结构的模拟与分析·