基于CFD模拟的换热器传热性能分析与优化选型
换热器是过程工业中应用非常广泛的传热设备，其传热性能及效率对企业的经济效益有重要影响。在换热器的选型和设计中，传统的基于实验和流程尺度模拟计算的方法难以取得内部流动的详细信息，所以利用先进的CFD技术实现换热器的优化设计已成为学术界和工业界普遍关注的问题。本文针对工业环路反应装置中换热器的改进设计问题，开展了基于CFD模拟的换热器传热性能及优化的研究工作，目的是通过建立换热器的管程和壳程的三维模型，获得换热器管程和壳程内部详细流场信息，取得不同结构和操作条件对换热器性能的影响规律，实现换热设备的优化选型和设计。本文研究采用的方法及取得的数据将为换热器的结构优化及工程放大提供理论依据和模型支持。 （1）对管壳式换热器管程进行了CFD模拟。建立了不同类型的强化传热管的三维模型，取得了内部流动和传热信息，分析了换热管性能的影响因素。结果表明，螺旋扭曲扁管和内置扭带换热管的综合性能评价因子η值大于1，强化传热效果较好，尤其适用于高粘度流体。通过考察几何结构对换热管传热性能的影响，得到不同类型换热管的最优结构：扁管扁度A/B≤2.6，螺旋扭曲扁管扭曲程度S/de为6~22、扁度A/B为2~2.6，内置扭带换热管扭带扭率Y=2、余隙率ξ=0.1。 （2）取三种不同类型的管壳式换热器壳程进行了CFD模拟。结果表明，对于弓形折流板圆管换热器壳程流动，流体流动呈“Z”字形，存在流动和传热死区；折流板排列和结构对其传热和流阻特性有重要影响，在入口流速为1m/s的工况下，折流板数目为8，圆缺高度为0.4倍的壳体直径时，换热器综合性能最佳；弓形折流板扁管换热器壳程流动，与弓形折流板圆管换热器相比，流动方式两者类似，但是在滞留区，后者漩涡流速相对较快，出口温度也较前者高；对于自支撑型螺旋扭曲扁管换热器，壳程流体速度和温度分布比较均匀，不存在流动和传热死区，流体沿管束螺旋流动，为典型的纵向流动。 对比分析了三种换热器在不同工况下壳程传热和流阻特性。结果表明，压降和传热系数都随Re的增大而增大，但在相同Re下，螺旋扭曲扁管换热器的壳程压降要比其他两种换热器降低2~4倍，并且传热系数也最小。基于此，可认为在满足换热需求的条件下，用螺旋扭曲扁管换热器代替传统的弓形折流板换热器，可达到节能的目的。 （3）基于CFD模拟结果，对一个工业换热器进行了选型和设计，重点考察了不同的强化传热管代替普通圆管后换热器的传热性能。结果表明，选择内置扭带换热管代替圆管后，换热器管程传热效率显著提高，约为改造前的2.6倍。最后给出了工业换热器的初步设计。
换热器;传热性能;CFD模拟;结构设计
中国海洋大学
硕士
化学工程
安维中
2013
中文
TQ051.5
105
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）