郭强;何树营;李西兵
【摘 要】The strength analysis for heat exchanger mostly focused on using experience value or technical parameters provided by manufacturer as boundary conditions .This can exist big difference between the actual working status of heat exchang -er, and the analysis results may also have a big error .Flow and heat transfer numerical of heat exchange were simulated by CFD software Fluent in steady working condition in this paper .The twisted-model's heat transfer performance was compared with the no-twisted-model's.Heat exchanger can be improved by reducing the velocity of air by increase air flow area or by using short twisted tape instead of long twisted tape .It requires the velocity of air in the tube should be controlled below 20 m/s.%目前对换热器强度分析多利用经验值或厂方提供的技术参数作为边界条件，这样会与换热器的实际工作情况存在较大差异，分析结果也会存在较大误差。文中利用计算流体力学（ CFD ）软件Fluent对换热器进行了稳定工作状态时的流动和传热数值模拟，比较模型在有无插件时换热性能的区别。可通过增加空气的通流面积来降低风速或者用短插件代替长插件进行改进。要求插件管内空气流速控制在20 m／s内。 【期刊名称】《管道技术与设备》 【年(卷),期】2016(000)006 【总页数】5页(P33-36,55)
【关键词】换热器;温度场;传热模拟 【作 者】郭强;何树营;李西兵
【作者单位】齐齐哈尔大学，黑龙江齐齐哈尔 161006;山推工程机械股份有限公司研究总院，山东济宁 272075;齐齐哈尔大学，黑龙江齐齐哈尔 161006 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ051
换热器是石油化工等行业中重要的工艺设备，提高换热器的换热性能也就意味着换热器中的温度梯度会更大[1]，温度梯度增加会引起结构上更大的热应力和热变形。换热器的设计和生产过程中，大多仍根据经验公式来设计换热器，且对换热器的热应力和热变形较难预测。
国内外学者对换热器的机理、结构参数、性能特点等做了大量的分析研究。杨宏悦等对某大型固定管板式换热器管板的稳态温度场和热应力场进行分析，得到边界条件下管板温度场和热应力场的分布规律[2]。郭崇志、周洁[3]进行了温差热应力数值分析，得到了温度分布模型。Shyy Woei Chang等研究表明：对于扭带插入件式强化管，同流雷诺数Re和扭带的扭率是表征压降和换热特性的关键参数[4]。S. K. Agarwal和R. M. Raja研究表明：扭带插入件式强化管在层流时换热效果增加明显，但在湍流时增加较慢[5]。
目前,对换热器的数值研究的文献中，分析模型简化的较多，边界条件多数采用平均温度或者平均对流换热系数，这些数据通常来源于手册提供的数据或者经验数据。本文利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对换热器进行流动和换热模拟，得出换热器的温度分布，然后将其作为载荷再对换热器进行结构分析，可以较大程度提高分析的准确性。
列管式换热器由进出口风箱、过渡风箱、管束组成管程，空气由进口风箱进入，在列管及风箱内流动，经过3次折返后从出口风箱流出；壳程由管板、墙壁及密封装置组成，烟气从左侧烟气进口流入，从右侧烟气出口流出。图1为列管式换热器结构示意图。 该换热器特点：
(1)传统列管式换热器的壳体与换热管通常由管板连接在一起，因为壳体与换热管的温度差别比较大，因而其热变形也会不同，但是管板又限制了两者的自由膨胀，这样壳体、换热管及管板都会产生较大应力。该换热器与传统列管式换热器不同的是它的壳体由墙体和密封装置组成，壳体并没有与管板连在一起，这样管束及管板的热膨胀并不受壳体的限制，从而有效降低了换热器因为膨胀受约束而产生的应力。 (2)采用了插件技术，在换热管内安装了扭带型插件，插件两端与管子焊接在一起，可以有效提高列管内表面传热系数，从而减少换热面积，减小了换热器的体积。 2.1 换热器主要结构尺寸
换热器长、宽、高为：4 619 mm×1 600×2 918 mm；换热管内径43 mm，外径53 mm，管壁厚5 mm，长度1 950 mm； 换热管横向间距90 mm，横向等分数为22个，换热管纵向间距70 mm。 2.2 换热器材料
列管及管板所用材料均为Q235。 3.1 热传导
物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生热量传递现象。热传导遵循傅里叶定律：
式中：q* 为热流密度，W/m2；λnn为热导率，W/(m·K)；为等温面法线方向的温度变化率；“-”为热量流向温度降低的方向。 3.2 热对流
当流体流过物体表面时，由于粘滞作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能以导热的方式进行。离开物体表面，流体有宏观运动，热对流方式将发生作用。牛顿冷却方程描述为
式中：hf为表面传热系数，W/(m2·K)； TS为固体表面的温度，K；TB为周围流体的温度，K。 3.3 热辐射
2个物体温度不同时，高温物体对低温物体产生热辐射，低温物体也对高温物体产生热辐射。使2个物体温度相等，辐射换热量等于零，但它们之间的热辐射交换仍然在进行，处于动态平衡状态。物体之间净热量传递可以用斯忒藩-波尔兹曼方程计算：
式中：Q为热流率，W；ε为吸收率(黑度)；σ为斯忒藩-波尔兹曼常数;A1为辐射面1的面积；F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T1为辐射面1的热力学温度；T2为辐射面2的热力学温度。 3.4 传热与换热过程
在实际传热问题中，3种热量传递方式不是单独存在的，而是2种或3种同时起作用。对于单层圆管，内外半径分别为 r1， r2，长度为l，热导率为λ，无内热源，圆管内、外两侧的流体温度分别为 tf1，tf2 ，内侧的表面传热系数为h1，外侧的表面传热系数为h2。该传热过程由圆管内侧的对流换热、圆管壁的导热及圆管外侧的对流换热3个热量传递环节组成，根据牛顿冷却公式以及圆管壁的稳态导热计算公式可以求得以单层圆管的外壁面面积为基准的传热系数： 式中d1、d2分别为圆管内外直径。 3.5 工作边界条件确定
已知烟气进口温度T烟进=1 073 K，烟气出口温度T烟出=523 K，空气入口温度T空进=283 K，空气出口温度T空出=523 K，取烟气在473～1 073 K变化范围
内的平均比热容 cp烟=1.182 kJ/(kg·K)，从文献中查得烟气在1 073 K时的密度[6] ρ烟1073=0.33 kg/m3，空气在283～523 K变化范围内的平均比热容cP空=1.01 kJ/(kg·K)，查得空气在283 K时的密度[7] ρ空283=1.247 kg/m3。 传热过程中物质吸收热量公式为
式中：Q1为单位时间吸收的热量，kJ/h；m为物质质量，kg；Δt为温度变化量，K。
对于本换热器模型，换热功率W=7.534 8 GJ/h。 烟气入口换热功率计算公式如下： 4.1 整体模型
模型中，空气的进出口简化为长方形，为了便于计算收敛，适当延长了出口长度，纵向只取一个换热特征[8]，即包含一排管子及其周围的烟气和空气，简化基于烟气在烟气通道内分布较均匀[3]。图2为烟气通道横截面流场图。横向分成两段，分别进行模拟计算，但需要通过实验让两段连接部分参数基本一样。
图3为左段模型和左段网格模型(左段模型划分完网格后的模型，节点数为739 481，网格数为2 007 070)。
其中左段模型的空气进口和烟气出口参数应该与右段模型的空气出口和烟气进口的参数分别对应[9]。右段模型与左段计算方式类似，仅以左端为例详细叙述过程。 4.2 单管模型
图4为无插件模型和有插件模型的端面视图。外部为烟气通道，中间为换热管，内部为空气通道，为顺流换热。 5.1 求解设置
经过计算，模型中起始空气流速约为19 m/s,空气在283 K时的运动黏度为υ空283=1.416×10-5 m2/s，此时雷诺数为
式中：Rec为光滑圆管的临界雷诺数，Rec=2 320；v为空气流速；d为圆管直径。
所以空气在管内的流动状态为湍流。本文中换热器远离炉膛，所以忽略了热辐射的影响，在Fluent设置中打开能量方程，湍流模型选用标准k-ε模型，标准k-ε模型需要求解湍动能及其耗散率方程[10]。入口采用速度入口，出口采用压力出口，求解方法选用SIMPLE算法。 5.2 整体求解结果
从图5可以看出，经过换热过程，烟气在入口处温度最高，在出口处温度最低，呈逐渐降低的趋势，空气在入口处温度最低，在出口处温度最高，呈逐渐增高的趋势，两者变化都较均匀。从图6可以看出，烟气速度整体变化不大，空气在管内流动时速度增加较多。
从图7可以看出,由于管壁较薄，管子内外壁温度相差很小，管子与下管板接触的地方温度最低，在下管板对管子的影响区内(约有200 mm)管子温度急剧上升，之后温度逐渐上升且变化较均匀，到达上管板的影响区(约有200 mm)后管子的温度又急剧下降。在图7中可以看出，第2根管的温度最高，而不是最先与烟气接触的第1根管的温度最高。从图8和图9可以看出，管板上下表面温度变化趋势相同，且相差不大，这也是由于管板厚度较薄的原因。 5.3 单管求解结果
从图10可以看出，空气入口速度在1～20 m/s范围内，插入插件对提高管内壁表面传热系数的作用越来越明显，20 m/s以后两者的差值就基本上稳定在2.8 W/(m2·K)。
本文对设计基础条件下换热器模型进行了数值模拟，并对有无插件模型进行了换热性能的对比，同时也对单管换热进行了数值模拟，得出以下结论：
(1)设计换热器时要考虑把管内空气流速控制在20 m/s以内，因为空气流速在20 m/s以上时，管内表面传热系数增加不大，但压力却急剧增加，这样会增加对风机的要求。
(2)如果换热器设计时受空间的限制使管内空气流速高于20 m/s，这时可以只在空气入口的一段长度内加入插件，而后面的直接用光管，这样管内依然产生了扰流效果，即可以保证较高的管内表面传热系数，又减小了压力，降低了对风机的要求。
【相关文献】
[1] 刘月琴. 浅谈换热器的分类和特点[J].化学设计通讯，2003，29(3)：39-42.
[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[J].化工设备与管道，2006，43(1)：11.
[3] 郭崇志，周浩. 固定管板式换热器的温差热应力数值分析[J].化工机械，2009，36(1)：41. [4] CHANG S W,YANG T L,LIOU J S,et al. Heat transfer and pressure drop in tube with broken twisted tape insert [J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2007, 32(8): 489-501.
[5] AGARWAL S K，RAJA R M.Heat transfer augmentation for the flow of a viscous liquid in circular tubes using twisted tape inserts[J].Int. J. Heat Mass Transfer, 1996, 39 (8): 3547-3557.
[6] 潘家祯. 压力容器材料使用手册[M].北京：化学工业出版社，2000：115． [7] 张学学，李桂馥. 热工基础[M].北京：高等教育出版社，2000：405．
[8] 刘海亮，于洪杰，徐鸿. 高压给水加热器厚管板的有限元分析[J].压力容器，2004，21(12)：16. [9] 胡友安，李晓东，陈图钧. 涡壳温度场和热应力的有限元分析[J].机械强度，2007，29(1)：130-134.
[10] 董其伍，李静，刘敏珊. 传热管异径布管方式传热系数的数值分析[J].核动力工程，2006，27(1)：14-17.
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容