管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟分析

摘要：传统的管壳式换热器壳侧流体流动特性分析方法计算得出的凝结水流量等参数与实际相差较大，为此提出了一种新的管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟方法。建立数值模拟模型，定义壳侧流体流动边界条件，通过对壳侧流体流动情况的计算求解，得出数值模拟分析结果。实验结果表明：该方法分析得出的凝结水流量明显比传统方法更接近实际情况，准确性更高。

关键词：管壳式换热器;壳侧流体;流动特性;数值模拟

0 引言

管壳式换热器是为了满足长期处于高压环境中的电厂、锅炉厂等大型换热器运行需求而研发生产的。为了进一步提高传统管壳式换热器的工作效率，在传统管壳式换热器结构基础上，强化了用于传热的挡板结构，有效提高了传热效果[1]。本文针对传统管壳式换热器壳侧流体流动特性分析方法计算得出的凝结水流量等参数与实际相差较大，不满足电厂、锅炉厂等大型换热器检验维修标准的问题，对管壳式换热器壳侧流体流动特性数值进行了模拟分析。

1 管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟方法设计

1.1    建立管壳式换热器壳侧流体流动数值模拟模型

对需要进行数值模拟分析的研究对象——管壳式换热器进行前处理，根据数值模拟对象的实际参数，建立如图1所示的管壳式换热器数值模拟模型。

本文采用流体力学模拟基础软件，结合其强大的网格规划功能，将建立的管壳式换热器数值模拟模型直接引入到流体力学模拟基础软件中，并对其进行网格划分。本文采用分块划分网格的方法，首先对上文建立的模型上端和下端出口进行划分，并对其他各个结构分别划分网格，再对划出后的网格分别进行划分[2]。采用混合网格方式的四面体和金字塔网格对管壳式换热器数值模拟模型各个结构的网格进行划分，考虑到对后续模拟计算速度的影响，本文对上端和下端接口采用六面体网格对其壳侧划分成如图2所示的网格模型。

本文选用分离隐式求解器，选择混合物模型作为流体流动的计算模型，并考虑相同的速度滑移。采用标准的双方程湍流模型，通過管壳式换热器壳侧标准壁面函数对壳侧的流体流动进行计算，完成对管壳式换热器壳侧流体流动数值模拟模型的建立。

1.2    定义管壳式换热器壳侧流体流动边界条件

本文主要针对管壳式换热器壳侧流体流动特性进行数值模拟方法设计，因此壳侧内部的流体应为高温饱和的水蒸气，管侧流体应为低温冷却水，将高温饱和水蒸气与低温冷却水转换的过程看作是冷凝相变换热的过程[3]。根据管壳式换热器实际工作运行情况，在数值模拟分析时，假设上端入口流体的流动速度为均匀分布，流体流量和温度等物理量根据实际情况设定。对流体的湍流强度定义根据如下公式进行设定。

式中，P为流体的湍流强度;v为流体湍流脉动速度;v为流体平均速度;ReDH为按照水力直径为DH计算得出的雷诺数。对于管壳式换热器壳侧壁面采用不可渗透、无滑移绝热壁面作为边界条件。

1.3    壳侧流体流动情况计算求解过程

针对管壳式换热器壳侧流体为冷却水的情况，由于冷却水会受到壳侧的高温逐渐转变为水蒸气，因此将本文上述建立的数值模拟模型整体旋转180°，并使下端出口方向朝与水平面垂直的正方向，从而更有利于水蒸气的排出。本文采用分离隐式求解器对其数值模拟进行分析，设置壳侧流体为293 K标准冷却水，物性参数取定性温度环境下的常量，将水设定为主相，将气体设置为第二相，设置气体的最小颗粒的直径为1.68×10-4 m。由于在实验过程中会受到重力的影响，因此将纵向流速的方向设置为管壳式换热器的方向，将纵向流速设置为8.67 m/s2。针对两个分区分别设定不同的温度，并对控制壳侧内部体积的物理量采用一阶迎风格式进行离散处理，根据离散结果得出管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟分析凝结水体积分布、速度场分布、温度场分布、压力场分布等结果。

2 实验论证分析

本文选择某电厂常用管壳式换热器作为实验对象，管壳式换热器的壳侧内径为120 mm，总长度为1 400 mm，下端出口处接管直径为45 mm，长度为75 mm，折流板厚度为2.5 mm，两个折流板结构之间距离为135 mm，圆缺高度为25.5 mm，排水缺口处位于折流板结构的正上方，其内径为12 mm。分别利用本文提出的管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟方法与传统管壳式换热器壳侧流体流动特性分析方法进行实验对比，并将其分别设为实验组和对照组。将实验组与对照组得出的管壳式换热器壳侧凝结水流量分析结果，分别与实际凝结水流量进行比较，并将对比结果绘制成如图3所示的实验结果对比图。

根据图3中的相关数据可以看出，实验组与对照组数值模拟的发生冷凝相变的凝结水流量会随着饱和水蒸气的温度升高而呈现出上升趋势，但实验组与对照组的分析结果与实际凝结水流量对比，明显实验组与实际情况更相符。因此，通过对比实验证明，本文提出的管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟方法通过数值模拟得到的分析结果准确性更高，在实际应用中分析结果更符合实际情况。

3 结语

本文针对管壳式换热器在实际运行时的壳侧流动情况，提出了一种全新的流动特性数值模拟方法，并通过对比实验证明了该方法的优势。在实验过程中发现，在壳侧的折流板圆缺处及排水缺口位置上，流体流动的速度、温度以及压强都发生了较大的改变，说明在该区域内存在较强的工作强度，随着使用时间的不断增加，该区域势必会出现过早老化的现象，降低管壳式换热器的使用寿命。

[参考文献]

[1] 杜卡帅，胡珀，胡真，等.初边值条件对二维通道内降膜流动行为影响的数值分析[J].应用科技，2020，47（2）：85-92.

[2] 董华东，沈彦儒，王向阳，等.齿形几何参数对阶梯型迷宫密封泄漏特性影响的数值模拟研究[J].山东化工，2020，47（7）：251-253.

[3] 史同心，张明.不同射流压力下柴油机非对称喷嘴内部流动特性的数值分析[J].真空科学与技术学报，2018，38（12）：1088-1092.

收稿日期：2020-04-25

作者简介：许丽华（1982—），女，河北邢台人，硕士，讲师，研究方向：机械产品数字化设计与智能设计。