换热器结构的分析和设计优化

刘睿

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720200

摘要：本文通过UG建模软件建立了全流路管壳式换热器流动与传热模型，模型与实际换热器的尺寸相适应，利用 Fluent数值模拟软件对管壳式换热器壳程流体流动与传热进行数值模拟计算，通过数值模拟计算得到速度矢量、温度场、压力场等信息，对这些信息进加以分析以研究流道中流体的流动与传热，在对换热器胡流动特性进行研究后找到换热器在换热工作中存在的结构设计上的弊端，接着对这些结构弊端加以优化设计，以减小换热器中的流动损失，提高换热器的换热效率。

关键词：管壳式换热器；流动与传热；数值模拟；优化设计

传统管壳式换热器在石油、化工、食品、制造、等领域中的使用相当广泛，在高温高也的换热大型设备中更是常见，单弓形折流板管壳式换热器占整个换热器数量的70%，它具有许多优点，如结构可靠、设计与制造简单、耐高温高压、适应性强、处理清洗方便等，这些优点在产业节能上发挥了很重要的作用，但是随着时代的发展，传统的管壳式换热器传热性差、流动阻力损失大等缺点的存在使它已经不能满足新的节能减排形势，在这种背景下，提高传热效率，减小流动阻力损失等对管壳式换热器的发展具有重要意义。随着计算机技术和CFD的发展，数值模拟计算分析已经成为换热器的研究与设计的重要手段，因此，本文采用数值模拟的方法对管壳式换热器壳程流体流动与传热数值进行研究，通过对数值模拟仿真计算结果的分析，找到管壳式换热器的结构设计缺点从而对其进行优化设计，提高换热效率，这对于管壳式换热器的发展具有十分重要的意义。

1 换热器结构与基本原理

本文采用管壳式换热器模型作为研究对象，其结构如下图所示。

管壳式换热器结构图

管壳式换热器的主要组成部分为：管箱、管板、传热管、壳体、折流板等，它的基本工作原理是两种不同温度的流体分别经过管程和壳程时，温度较高的流体通过换热器管壁将温度传递给温度降低的流体，因此温度较高的流体被冷却，而温度较低的流体被加热，以此来完成换热。

2 换热器流动特性仿真模拟

换热器的流动特性仿真数值模拟采用数值模拟仿真软件Fluent进行，在通过UG建模软件将管壳式换热器模型建立完成之后，通过ICEM划分网格，然后设定参数值和边界条件等等，最后导入Fluent中进行计算分析，得到管壳式换热器的速度、温度、压力分布图，通过这些图形的分析，找到管壳式换热器的一些问题的根源。磨损腐蚀是由于流体与金属表面的相对运动引起的金属加速破坏腐蚀，管壳式换热器的腐蚀是否是磨损腐蚀，针对这个问题，我们可以通过数值模拟仿真得到管壳式换热器内部的流速图，将流速图与换热器腐蚀情况图进行对比后发现流体流动速较大的区域与腐蚀的区域基本吻合，这就说明了换热器的腐蚀是磨损腐蚀。其他的一些问题通过数值模拟也能够很好的找到问题根源所在，因此，对换热器的流动特性仿模拟是我们进行换热器结构优化设计的一种较好选择。

3 换热器结构优化设计

3.1 添加弓形挡板

针对流动特性仿真模拟中出现的一些问题，我们可以通过对换热器的结构进行优化以达到解决问题的目的，在仿真模拟中我们发现，换热器列管进口处的流体速度分布不均匀，这将影响换热器的换热效率，为了解决这一问题，我们在列管进口处添加弓形挡板来使进口处的流速分布更加均匀。

添加弓形挡板后，重新建立模型，通过仿真模拟得到新的流速图，从中可以看到流速分布明显比没有添加弓形挡板的时候更加均匀，这就使列管进口的流速在很大程度上避免的极端流速的出现而影响换热器的工作效率，也说明了换热器的结构的优化对于换热器的流体流速影响较大，能够使流体流动状态趋于稳定。

3.2 改变流体入口位置

将流体入口位置由原本的换热器上端改到侧面，然后建立新的换热器模型，再对新的换热器模型进行仿真模拟，通过仿真模拟得到改进后的流速分布图，通过流速分布图中的流速分布情况可以看出，将流体入口位置改到侧面后，流速的分布同样得到了很好的改善，流速分布变得均匀，因此，通过改变流体入口位置的方法同样能够使换热器列管进口处避免极端流速的出现。

4 结语

管壳式换热器在实际应用中还有许多不足之处，这些不足之处导致了换热器的工作效率、使用寿命、安全性等等都有很严重的影响，近年来对管壳式换热器的研究與探讨越来越多，在长期的研究中发现了对换热器结构的优化对于换热器的各方面性能有一定的积极作用，通过本文的研究探讨，可以得出以下结论。

（1）换热器的腐蚀问题作为换热器研究中的一个问题，我们通过研究分析，找到问题根源，通过对换热器列管入口进行重新设计，使列馆入口的流体流速分布更加均匀，避免了流速过大导致换热器的磨损腐蚀，从根源上解决了换热器的腐蚀问题。

（2）在换热器的结构的分析和优化设计上，我们采取的是仿真模拟的方法，实践证明，仿真模拟对于换热器结构分析和优化设计具有重要的价值，对于本文研究的换热器腐蚀问题也起到了非常重要的作用，在换热器未来的研究中，仿真模拟将会继续作为一种重要的研究手段和工具，促进换热器更好的发展。

参考文献：

[1]王晓东.管壳式换热器传热的模拟研究及其优化分析[D].东北大学，2012.

[2]王明军.管壳式换热器的数值模拟与优化设计[D].中南大学，2011.

[3]杨明，孟晓风，张卫军.管壳式换热器的一种优化设计[J].北京航空航天大学学报，2009，（05）：615617+648.