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固定管板式换热器的温度场数值分析 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途固定管板式换热器的温度场数值分析 http：/china.toocle。com 2009年04月21日15：03 生意社生意社04月21日讯 固定管板式换热器的温度场数值分析郭崇志林长青(华南理工大学）摘要：在对实际结构进行合理简化的基础上,以影响流动和传热的主要结构建立了某固定管板式换热器温度场数值计算模型，采用分段模拟、整体综合的方法,利用CFD软件Fluent对该换热器在正常操作工况下的流动与传热情况进行了数值模拟，得到了计算流道上有关各个构件的壁温场分布，并把主要结构CFD数值计算的结果与实测温度数据进行了对比.结果表明，CFD模拟模型数值分析得到的温度数据与实测数据相符,说明温度场的数值模拟分析方法及其流动条件的假定是符合实际的，计算参数选择是合理可行的。有关固定管板换热器中管束、管板和壳体的温度梯度变化情况的分析表明，尽管在它们的轴向、周向和径向都存在温度梯度，但是温度梯度变化最大的方向是轴向，这意味着轴向将产生最大热应力。关键词：固定管板式换热器温度场温度梯度中图分类号TQ0515文献标识码A文章编号0254-6094（2008)060338-07管壳式换热器是进行热量传递的通用工艺设备。由于其具有结构坚固、操作弹性大、使用经验丰富及可靠性高等优点，目前在工业装备中得到广泛采用，其中固定管板式换热器应用最为广泛。众所周知,固定管板式换热器的工作可靠性受管壳壁温差（或温差应力)的影响很大.因此,对换热器工作状态下温度场分布的研究对于如何降低管壳壁的温差应力,努力提高固定管板换热器的使用可靠性，延长其服役周期和使用寿命，提高热交换系统或热能动力系统的系统可靠性有着十分重要的意义1。有关管壳式换热器的温度场研究,目前大多数文献集中于研究管板的温度场及所产生温差应力，以及由此导致的结构强度等问题27，通常利用Ansys大型商用软件进行管壳式换热器管板结构的温度场研究,采用简化的三维实体模型较多，一般利用已知的平均温度或利用已知的换热（膜）系数对几何结构模型加载，而这些已知条件通常来源于手册提供的数据或者经验数据,并非来源于严格的换热器流体力学与传热的数值计算，因此是产生结果计算偏差的主要原因之一。目前文献对于给定工艺条件下管壳式换热器的整体温度场研究的并不多，由于准确的温度场是研究温差应力及其危害的前提，因此本文利用Flu-ent软件对一台固定管板换热器的约束构件之间的整体结构在正常运行工况下的温度场数值计算问题进行了研究,首先从计算流体力学与传热的角度出发，利用CFD软件Fluent的流体流动与传热数值模拟功能，采用分块划网、分段模拟的方法建立换热器壳程主要流体与结构的三维实体流道模型8，进而进行温度场的数值计算,随后对Fluent数值计算所得到的结构壁温分布特点进行了分析，研究了包括管束、壳体及管板的约束构件之间的温度场在轴向、径向及周向温度梯度的变化情况,为进一步深入研究固定管板式换热器温差应力数值计算问题建立了基础.1基本方程对于所有的流体流动,CFD的通用分析软件Fluent都是求解质量和动量守恒方程。对于包括热传导或具有可压缩性的流动,需要解能量守恒的附加方程。笔者通过选择工艺流体及流动空间,重点进行换热器管壳程的整体温度场数值计算，计算使用的能量守恒定律微分方程表达式9如下：2湍流数学模型在换热器中壳程内流体一般呈湍流流动状态。工程中对湍流问题的解法通常为雷诺时均方程法,在这些方程中任一瞬时参数都可以用平均量与脉动量之和来代替,并且可以对整个方程进行时间平均运算.标准k-方程的表达式9为:标准的k模型在模拟带有弯曲壁面的流动时会出现失真,RNGk模型则是为了改进其这一缺陷应运而生的。它通过大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺寸的影响，而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除,故RNGk模型的表达式10为：3分析模型的建立3。1模型结构及参数固定管板式换热器结构如图1所示,主要结构参数为管心距Pt=19mm,管板厚=12mm，壳体？115mm6。5mm1406mm，换热管18?12mm3mm1500mm，导流筒？92mm1mm120mm,折流栅Dbo=100mm、Dbi=89mm,折流栅间距B=50mm，折流杆直径Dr=3。2mm.折流栅的布置以及与换热管之间的装配如图2、3所示，4个折流栅为一组,从4个方向（0、60、120、180）支撑换热管。正常工作状态下，换热器的管程介质为饱和水蒸气，蒸汽温度为110;壳程介质为自来水,壳程流体进口速度为vint=0。3m/s.分析模型的所有构件材料20钢为各向同性线弹性材料,密度7840kg/m3,热膨胀系数1。610-6,导热系数47。5W/(m），弹性模量210GPa，泊松比0。3。3。2建模对于固定管板式换热器,研究温差导致热膨胀，进而研究与温差变形有关的温差热应力的问题,必然涉及到变形受到相互约束的构件。实际运行中的固定管板式换热器，常常由于换热管金属和壳体金属存在温度差,两者自由热膨胀量不同，而两者两端又同时固定在相同的管板上,造成两者变形相互约束，热变形无法缓解而产生过大的温差热应力,最终导致管板和管子之间的连接区域出现破坏。因此，建模时需要重点考虑变形受到约束以及对于流体流动和传热有影响(导致温度分布受到影响）的所有结构构件，在本文研究的换热器中,影响传热(温度场）的主要结构有导流筒、换热管、折流栅、管板和壳体，而变形受到约束的结构构件,主要有高温端和低温端管板、换热管束及壳程筒体.由上述分析可见,实际建模中,对温度分布造成影响的结构通常包括了变形受到约束的结构。因此,建模时主要以对传热有影响的结构来建模。经过合理的简化8,整台换热器的温度场数值计算模型由导流筒流道(进口段和出口段)和折流栅流道组成，利用前处理程序Gambit建立的导流筒流道和折流栅流道的几何模型如图4、5所示.3。3模型网格的划分根据所建立的模型进行网格划分,其划分方案见表1、211，每个模型的网格划分后都利用网格自检功能进行各个指标的检查。通过结果报告可知，网格90都拥有较优的质量，且没有出现畸变网格。4边界条件的确定对于本文计算模型，边界条件的确定如下：a.入口边界条件。正常工作条件下,换热器壳程进口(接管)速度往往是给定的，同时考虑到壳程为不可压缩流体,故给出速度进口条件;折流栅流道的入口边界根据上一流段的出口速度分布来给定.b。出口边界条件.对于进口段模型其出口边界可定义为自由出流；对于折流栅段,经试算后发现设置出口自由出流的边界条件也适宜.c。固体壁面.直接将固体壁面定义为非滑移(静止）壁面,壳程内件及壳体外壁面定为绝热边界，对于蒸汽流过的通道表面则为恒壁温.d.对称面。计算模型几何形状、边界条件以及流动状况等关于zy平面对称，在对称边界上，垂直边界的速度取为0.5分析模型求解在模型的建立和求解过程中，各项选择如下:a.计算模型.计算模型的壳程流体流动已经进入湍流,因此需要选择合适的湍流模型，工程上常用k模型,考虑求解的便利性，本文选择RNGk-模型.b。求解器.Fluent中求解方法可分为耦合式求解(coupled）和分离式求解(segregated)。前者同时求解所有控制方程,计算效率较低，且对计算机内存要求高；分离式Simple算法12是工程上使用较多的计算方法.本文计算模型中壳程流体不可压缩,不考虑体积力，因此选择分离求解器，可以更快得到收敛解。c.压力速度耦合算法.Fluent提供了3种可供选择的压力速度耦合算法(Simple算法、Sim-plec算法和Piso算法）,笔者采用Simplec算法.d.对流项的离散格式.在分离求解器中对流项的离散方法一般包括一阶迎风格式、二阶迎风格式、Quick格式等几种。由于各有优点，在计算时根据模型的情况适当结合一阶和二阶精度进行。e.压力插值格式.本文模型流动过程相对平稳,基本上没有高强度旋流等出现，故选用标准格式的压力插值格式。.f亚松驰因子的确定.求解器使用亚松驰因子来控制每一步迭代中的计算变量的更新。Fluent软件中所默认的亚松弛因子是从实践经验中总结出的、对于大多数情况下均为最优的亚松弛因子。本计算按默认值取。g.收敛准则的确定.本文模型中各残差分别为Fluent中的默认值。主要以残差曲线作为收敛的判断准则。6模拟分析结果图6显示了入口段管子外表面壁温的变化,由于入口段冷热流体温差较大,流体从入口接管流经导流结构、管板壳程侧，然后沿着管束的方向流动，流体多次改变流向和分布情况。因此,入口段管子壁温变化较急剧，局部温差变化较大，在热端温度较高且相对均匀。图7显示入口段管板壳程侧的温度分布。由图7可见,入口段管板壳程侧的温度变化较大（管程侧则为常温），分布不均匀。图8显示入口段壳体壁温的变化,由于壳体主要与冷流体接触，整体温度较低，变化也较缓和,而在壳体与管板连接区域,壳体的温度较高，并且壳体的温度分布沿着周向比较均匀，接近轴对称的温度分布模式.图9给出了典型的折流珊段的管束壁温分布。从图9中可见,由于通过入口段后的流体得到充分发展,流道形状变化不大，流体分布状况的变化较小,因此管束在这些充分发展的流道内,温度变化均匀而缓慢。图10显示了出口段管板壳程侧的壁温变化。通过比较图7和图10,可以发现入口处管板壳程侧表面温度变化较大,其中入口处上半部分管板接触的是入口接管流入的冷流体,温度较低,而下半部分的流体温度相对较高，管板温度分布也受此影响，而出口处由于壳程冷流体经过湍流换热，温度较为均匀,因此管板内表面温度分布也均匀。图11显示了出口段管束的壁温分布，与图6显示的入口段管束的壁温分布相比较，可知出口段管子壁面温度变化较缓和。这也说明出口段换热器内冷热流体换热充分。综上所述,从图611中可归纳以下几点:a。尽管管程蒸汽流道表面为恒温，但是壳程侧管板表面温度分布呈中间高边缘低，并不均匀，入口段流动阻力较大的位置,相对温度较高。沿管板厚度方向温度也呈一定的梯度变化;b.由于管子和壳体存在温差,两者产生的热变形量不同,而两者又同时连接在相同的管板上,因此变形都互相受到约束,从而在热端（或进口段）管板和壳体连接处将会产生较大的温差应力;c。换热管壁面上温度的分布从高温端到低温端逐渐变化，入口导流筒段的管子温度梯度较大，这是因为入口处管壳两侧流体温差较大,大部分区域的管子温度分布是连续变化、缓慢降低的；d.冷端(或出口段)和折流栅流道管壁温度梯度都不大,分布较为均匀,没有出现传统的折流板换热器中的传热死区。图12为入口段温度分布散点图，图13为典型的折流栅流道壁面的温度分布散点图.图12、13主要显示了温差变形受到约束的3个主要部件,即管板、管束和壳体之间的宏观温差及其分布,这些温度及其温差都是沿着管子轴线方向标绘的,其中温度较高且变化平缓，处于图形上方的一簇曲线为换热管外壁的温度分布，而处于图形下方的两条曲线分别是壳体内、外壁的温度分布。由两图可知，管子与壳体之间的温度差在入口段较大,而在后续的折流栅流道温差逐渐下降，变化不大，处于一个较稳定的值。而沿着轴线方向壳体内外壁的温度缓慢上升,由此导致管壳壁之间的温差逐渐降低。从上述图中也可以观察到,沿着给定的方向换热器内部温度梯度的变化情况:对于管束,管层之间的轴向温度梯度变化在进口段最大，以后逐渐稳定;管层之间的径向存在一定的温度梯度，但是管层环向的温度梯度则不明显,后续流道的温度梯度的变化主要体现在轴向,且数据稳定。对于壳体，在与管板连接区域出现较大的轴向和径向温度梯度,而周向温度梯度则较小,说明温度分布接近轴对称状态;对于管板,结果显示管板厚度（管子轴线)方向、径向及周向都存在温度梯度，其中以轴向温度梯度最大.数据比较表明,管板的温度分布及其温度梯度变化,与入口流体的状况有较大关系，其热应力分布涉及的影响因素比较复杂。综上所述，可以认为热变形相互受到约束的构件之间,产生热应力主要在轴向,其他方向的热应力相对较小。7实验测试及其比较为了部分验证上述分析结果，同时考虑到实施的难度，在换热器入口段(热端）管板的管程侧和壳程侧分别布置热电偶进行了在给定的工艺条件下稳态运行时热端管板壁面温度测试。管板上温度测试点分布图如图14所示。实验得到的温度测试数据与CFD温度场数值分析得出的温度数据进行对照，如表3所示。其中测试数据为热电偶的读数平均值,模拟分析的温度数据为测点坐标上的CFD计算数据13。由表3可见，尽管测试温度数值与CFD仿真得出的温度数值有一定的差别,但是两者吻合程度较高,而考虑到温度传感器的测量误差和CFD数值模拟引入模型的各种假定产生的误差,可以认为通过CFD的Fluent在流体力学与传热模型上进行热分析，进而得到结构壁面温度场的数值模拟结果是可靠的,也说明前面对分析模型所作的假定是符合实际的。8结束语用CFD软件对固定管板式换热器三维实体流道模型进行了仿真分析，利用分段模拟、整体综合的方法对该换热器进行了正常工况下整体温度场的数值模拟,获得了换热器模型流道壁面的温度场。分析过程中主要以影响传热的结构来建立分段模型，同时保证分段模型数据的连续性，选择RNGk模型进行求解,利用Fluent对各分段模型进行数值模拟分析之后,将数值计算得到的管板温度分布与实测温度分布数据进行了对比，结果可知模拟模型数值分析得到的换热器主要结构部件的温度场与实测的结果相符.说明温度场的数值模拟分析方法及其流动条件的假定是符合实际的，计算参数选择是合理可行的。此外，有关固定管板换热器中管束、管板和壳体的温度梯度变化情况的分析表明，尽管在轴向、周向和径向都存在温度梯度,但是温度梯度变化最大的方向是轴向，这说明轴向将产生最大热应力。参考文献1国家标准GB150-1998。钢制压力容器2杨宏悦,蔡纪宁,张秋翔等。大型固定管板式换热器管板稳态温度场及热应力场分析。化工设备与管道，2006，43（1）：11153胡锡文,林兴华.管壳式换热器管板的有限元分析。压力容器，2004，21(10）:2628，224马永其。换热器固定管板有限元应力分析的进一步研究:博士论文。北京：北京化工大学，20005吕洪.对流换热下的管壳式换热器的三维有限元分析:硕士论文.北京：北京化工大学，20046刘海亮.高压U型管式换热器管板的有限元分析研究:硕士论文。北京:北京化工大学,20057章姚辉。管壳式换热器的三维有限元分析:硕士论文.北京：北京化工大学，20038郭崇志，梁泉水.折流杆换热器数值模拟新方法。化工进展，2007，26(8)：26289陶文铨。数值传热学。第二版。西安:西安交通大学出版社，200110王福军。计算流体动力学分析：CFD软件应用及原理.北京：清华大学出版社.200411MarkFilipiak。MeshGeneration.EdinburghParalleComputingCenter。TheUniversityofEdinburgh.Version1。0，199612SuhasVPatankar.NumericalHeatTransferandFluidFlow。NewYork:HemispherePublishingCorporation。197913梁泉水。预应力换热器的分析与实验研究：硕士论文.广州:华南理工大学，2006个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理,来源于网络13