[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】管壳式换热器考虑挡板倾角对壳侧流体流动影响的数值分析-中文翻译

1 管壳式换热器考虑挡板倾角对壳侧流体流动影响的数值分析 Rajagapal THUNDIL KARUPPA RAJ*and Srikanth GANNE 著 闵鹏飞译 摘要 在本研究中，尝试进行了各种对流体流动的折流板的倾斜角度和一个管壳式热交换器的热传递特性的影响的三个不同的折流板的倾斜角度即 0，10，和 20的考查 。各种管壳式换热器，一种垂直于流体流动的弓形折流板与另一种与流体的流动方向倾斜的弓形折流板 的模拟结果进行比较。通过一个小的管壳式换热器的数值建模来考查壳侧的设计。本研究涉及一个单一的外壳和单面通过平行流热交换器。使用非商业计算流体动力学软件工具 ANSYS CFX 12.1 对外壳内的流场和温度场进行了研究。对于一个给定的削减了 36的挡板，通过不同的质量流率和折流板的倾斜角度来考察热交换器性能。通过计算流体动力学模拟结果，壳侧出口温度，压力下降，挡板附近的再循环，确定了给定几何形状的热交换器的最佳的质量流率和最佳的折流板的倾斜角度。 关键词：管壳式换热器，计算流体动力学，共轭传热，压降，挡板倾角 . 1 简介 换热器一直是许多系统的生命周期和操作的重要组成部分。换热器是建立有效的热传递到另一个介质来实现能量的交换的装置和方法。通常情况下，一种介质被冷却，而另一种被加热。它们被广泛应用于石油炼油厂，化工厂，石化厂，天然气加工，空调，制冷，和汽车等应用。换热器的一个常见的例子是汽车散热器，它将热从散热器里的水（热的发动机冷却液）通过散热器传递到空气中。 2 有两种主要类型的换热器： 直接接触换热器，其中两种介质之间进行热交换，彼此直接接触，间接接触换热器，其中两个媒体是分开的一堵墙通过热转移，所以，他们从来没有混合。 一个典型的热交换器，通常高压力应用到 552 千帕，是管壳式换热器。管壳式换热器是间接接触式热交换器，它由一系列管，通过其中的流体运行。外壳的壳程流体的容器。通常，它是圆筒形的圆形的横截面，虽然不同形状的壳中使用的特定的应用程序。这项研究被认为是 E 壳，通常一一通壳。 E 壳是最常用的由于其低成本和简单，并具有最高的对数平均温差修正系数（法） 。虽然管可能有单个或多个通行证，有一个通过对壳侧，而其他流体在管壳内的被加热或冷却。管侧和壳侧流体的管板分开， 1-3 。在这项研究中采用的换热器模型为中心的大小，相对于主流，所有的泄漏和旁路流不存在或是可以忽略的， 6 。折流板是用来支持结构刚度的管，防止管振动，下垂和改变流过管束获得较高的传热系数。折流板间距（ b）是两个相邻挡板之间的中心线的距离， 7 。挡板设置有切口（ Bc）中被表示为段高度壳内径的百分比。挡板切割之间可以变化的 15和 45的壳体内径 10 。在本研究中， 36%Bc 被考虑。在一般情况下，传统的管壳式换热器会引起高的壳程压力降和挡板附近形成再循环区。大部分的研究目前正在进行的螺旋折流板，并提供更好的性能，然而单弓形折流板还包括制造成本高，安装成本和维护成本。有效性和成本是在换热器设计的两个重要参数。因此，为了提高在一个合理的成本的管壳式热交换器的热性能，在本研究中的折流板中所提供的一些倾斜，以保持整个换热器的合理压差 13 随着实验技术的复杂性，涉及的流动现象，在使用处理问题和操作条件的有限范围的时间量测量的定量描述。计算流体动力学（ CFD）是一个既定的工业设计工具，提供明显的优势 14 。在这项研究中，被认为是一个完整的360CFD 模型的壳管式换热器。通过几何建模尽可能准确，得到的流场结构和温度分布在壳。 3 2 计算建模与仿真 在本研究中 6 个挡板沿壳体放置在不同的方向交替切朝上，朝下，切割，以创造管束两端的流路，再朝上等切割的几何模型进行了优化，通过改变挡板的倾斜角 i。例如， 0， 10，和 20。计算模型包括前处理，求解和后处理。管壳式换热器的几何形状建模的解释如下。 2.1 几何造型 该模型根据 TEMA 设计（管式换热器制造商协会）标准加迪斯（ 2007） ，利用 Pro E wildfire-5 软件如图 1 所示。 Ozden 等已经采取了类似的设计参数和固定的几何参数。 4，显示 “表 1。 图 1. 管壳式换热器的折流板和管的排列的等轴测视图，与 20折流板的倾斜 换热器长度 L 600mm 壳内直径 Di 90mm 管的外部直径 Do 20mm 4 表 1 管壳式换热器的几何尺寸 2.2 网格生成 建立 3-D 模型，然后在 ICEM CFD 离散。为了捕捉热和速度边界层整个模型的离散采用六面体网格元素是准确的，并涉及较少的计算工作量。附近的墙面上的六面体网格的精细控制，可以准确地捕捉边界层梯度整个几何三个流体 domains Fluid_Inlet 中， Fluid_Shell， Fluid_Outlet，和固体域，即Solid_Baffle1 Solid_Baffle66 挡板，分别分为热交换器离散成固体和流体域，才能有更好地控制节点的数量。 流体网格模拟共轭热传递现象进行精细的固体网格。三个流体域，如图 2 所示。从管表面的流体域的第一个单元格的高度保持在 100 微米的捕获速度和热边界层。离散模型检查质量，发现有 18和 4.12 分钟的行列式的最小角度。一旦网格检查无误则其最低要求的质量是出口 ANSYS CFX 预处理器。 管束的几何形状和间距三角 30mm 管子数 Nt 7 挡板数量 Nb 6 中央隔板间距 B 86mm 挡板的倾斜角度 q 0,10和 20 5 图 2。离散流体域与非均匀网格捕捉边界层 2.3 控制方程 通过对管壳式换热器的三维流解决相应的方程模拟，方程（ 1）式（即5） 。质量守恒，动量和能量利用 ANSYS CFX。湍流是由剪切应力运输照顾（ SST） K 模型封闭具有融合的功能，支持标准的 K - 近壁和其他地方的标准 k - 质量守恒定律： （ 1） 0VX-动量： （ 2） zyxpuxY-动量： （ 3） gyVzy6 Z-动量： （ 4） zyxzpVuxz能量守恒： （ 5） qTkpe边界条件设置 在 ANSYS CFX 预处理器，各种流体和固体域定义域的详细信息分别与相应的流 - 固和液 - 液界面的创建中所提供的选项卡 2。本研究中的流动是湍流，因此选择 SST K- 湍流模型。 ANSYS CFX 预处理器中指定的边界条件，然后导出该文件的 ANSYS CFX 采用同样的程序是为其他两种模式。 表 2 中。 ANSYS CFX 预处理器创建的各个领域和接口 边界条件： 域位置 域类型 域接口 接口类型 流体入口 流体 FLFL 入口的外壳 液 -液 流体出口 流体 FLFL 出口的外壳 液 -液 FLFL 入口的外壳 液 -液 FLFL 出口的外壳 液 -液 FLSL 外壳挡板 1 流 -固 FLSL 外壳挡板 2 流 -固 FLSL 外壳挡板 3 流 -固 FLSL 外壳挡板 4 流 -固 FLSL 外壳挡板 5 流 -固 流体壳 流体 FLSL 外壳挡板 6 流 -固 固体挡板 1 固体 FLSL 外壳挡板 1 流 -固 固体挡板 2 固体 FLSL 外壳挡板 2 流 -固 固体挡板 3 固体 FLSL 外壳挡板 3 流 -固 固体挡板 4 固体 FLSL 外壳挡板 4 流 -固 固体挡板 5 固体 FLSL 外壳挡板 5 流 -固 固体挡板 6 固体 FLSL 外壳挡板 6 流 -固 7 壳侧的工作流体是水， 壳体入口温度为 300 K， 管壁上为恒温 450K 零表压为出口喷嘴 入口速度分布被假定为均匀的， 无滑移条件被分配到所有的表面， 零热通量边界条件被分配到壳外壁（不包括挡板的外壳界面） ，假 设 是完全绝缘的外壳。 3 结果与讨论 3.1 验证 仿真的结果，得到不同的壳程流体的质量流率范围从 0.5 千克 /秒， 1 千克 / 秒， 2 千克 / 秒。而 0.5 千克 / 秒的流体的流速为 0挡板倾角模型模拟结果验证可用的数据 4结果发现，在壳出口的出口温度与文献报道的结果相匹配，两者之间的偏差小于 1。 为 0.5kg/s 质量流量的模型 开关 0， 10仿真结果，并得到 20挡板倾角。可以看出，温度逐渐增加，从壳侧入口处的 300 K 到出口处的 340 K。三次模拟在出口处的平均表面温度是 323 K。三例均考虑没有太多的温度变化。 在模型 0， 10和 20最大压力时其挡板倾角分别为为 94.43， 91.05 和 79.19帕。由于其流动引导顺畅，相比于其他两种类型 20挡板倾角的模型压降更少。这三个模型在进气口最大速度是几乎等于 0.302 米 / 秒并且在出射面速度的大小减少到零。在折流板表面可以看出，相对于 0折流板的倾斜角， 10 度， 20折流板的倾斜角度，可提供与倾斜引导流体流动的折流板的流动更平滑。 从图 3 的流线轮廓，发现回流挡板诱导湍流漩涡将导致更多的压降模型与=0时重新环流所产生的压降小于 =10所产生的； = 20重新环流的模型与其他两个模型相比，此时所产生的压力降是最佳的如图 6 所示。 8 图 3 变化的流线沿壳体 0挡板倾角 图 4 变化的流线沿壳体 10挡板倾角 9 图 5。变化的流线沿壳体 20挡板倾角 从 CFD 模拟可以得到表 3 中的结果，壳侧固定管壁和壳的入口温度，出口温度，不同流体的流速和压降值。可以发现，作为预期的变化甚至是最小的，如图 6 所示，壳出口温度降低而质量流率增加，在图 6 中我们发现发现，三个质量流率分别为 0.5 千克 /秒， 1 千克 /秒， 2 公斤 /秒，即使出口温度的外壳挡板倾斜增加 0 20没有什么太大的影响然。然而当折流板倾斜角度增大时壳侧压降减小；当倾斜角度从 0增加到 20， 10折流板的倾斜角度的换热器压降降低4%， 20折流板倾斜角度的换热器压降降低 16%如图 7。因此，可以看出，管壳式换热器具有 20 度折流板的倾斜角度时获得一个合理的压力降结果，可以得出结论：管壳式换热器在 20折流板的倾斜角度时比在 10和 0的倾斜角度时获得更好的性能。 10 图 6。温度与挡板倾角变化 （各种质量流率为） 3.2 结论 表 3。出口温度和不同挡板倾角和质量流率的壳程压力降值 质量流率 =0.5 千克 /秒 质量流率 =1 千克 /秒 质量流率 =2 千克 /秒 挡板的倾倾斜角度（ ） 出口温度 （ K) 压力差 （ Pa） 出口温度 （ K） 压力差 （ Pa） 出口温度 （ K） 压力差 （ pa） 0 323.30 94.43 322.28 377.14 321.37 1507.64 10 323.62 91.05 322.62 362.12 321.70 1459.89 11 图 7 挡板倾角压降的变化 （质量流率分别为 0.5 千克 /秒， 1 千克 /秒，和 2 千克 /秒） 一个小的管壳式换热器壳侧的建模与足够的细节来解决流量和温度域。 对于给定的几何质量流动速率必须低于 2 公斤 /秒，如果超过 2 公斤 / s的与出口温度变化小的压降迅速增加。 压降降低 4%，换热器对应 10挡板倾角；压降降低 16%，换热器对应20挡板倾角。 折流板的最大倾斜角度可以 20，如果角超过 20，管中心行不支持。因此，挡