管壳式换热器壳侧三维流场模拟实验

摘要：建立了管壳式换热器的简化模型，利用ANSYS模拟软件，对管壳式换热器的壳侧三维流场进行了模拟计算，得到了不同排列方式下及人口流速的情况下换热器模型的壳侧流场，并用实验测得的换热器壳程总压降进行了对比验证，证实了结果的可靠性。分析了管壳式换热器换热管的两种不同排列方式下流场的差异和流场对换热器失效的影响，提出了换热器管束失效的预防措施。

管壳式换热器是目前应用最广泛的换热器ll J。在大型的连续生产的使用中，换热器往往因为其壳程进口处管束大量断裂而失效。文章试图从流场出发，

运用数值模拟方法，分析了造成这种失效的原因。根据管壳式换热器的结构特点，本文对换热器模型的结构进行了简化，选取了有四根换热管的单管程换热器模型，对管束排列方式上不同的两个换热器模型的壳程流场随着壳侧进口流速变化的情况进行了模拟计算，得到了模型壳侧的不同剖面上的流场速度等值线图和速度矢量图及压力场等值线图，直观地反映了模型壳侧的流体流动情况。

1 模型及计算条件

模拟所用的换热器的四管模型结构如图1，2所示；所用流体介质为20℃的水，所研究的换热器模型的壳侧流体流动主要特征是湍流，描述湍流的基本方程可用通用形式表达为：

中各参数 ，U， ，叫，k，￡和S ，其具体表达式及湍流模型参见文献[2，3]。网格划分采用自由划分法，数值方法为SIMPLE[3 J。两点假设：

(1)、以下几种物性参数为常量：密度998．2 kg／m3；导热系数0．5989 w／

(m*C)；粘度1．005×10～Pa．s；比热4．183 ld／

2 模拟结果

其它条件不变，只改变流体的入口流速，模拟计算得到相应速度下的壳侧总压降结果(见表1)、由表1可以看出，在流体处于湍流状态时，随着壳侧进口流速的增加，壳侧总压降也逐渐增加；相同的工况下换热管顺排的总压降较大。分别对四管换热管管束排列方式(错排、顺排)进行模拟计算，得到图3～图10。图3～10可以反映出换热管排列方式不同时，换热器壳侧的流场有显著差异；从图5～8可以看出，换热管错排的流场比换热管顺排的流场均匀；而图3-6显示了在壳侧入口处流速变化剧烈的情况；由图7，8可以看到在壳侧入口来流方向管束表面处存在一个高压区，而压力较低的区域分布在壳程出口处，换热管错排的方式压力分布较均匀。

3 实验验证

以错排方式为例，按实验流程(见图11)进行实验测定，测得各速度下换热器总压降错排实验值(见表1)。将实验值和模拟值对比(见图12)，再由表l和图l2可以看出，随着进口速度的增加，壳程的总压降变化趋势基本一致。实验值和模拟值大小相近，说明模拟的结果是可靠的。

4 分析与讨论

壳侧总压降的模拟值和实验值相比较，计算值与实验值的最大偏差约为35％。分析认为主要是由实验模型与模拟模型的结构在实际精度上的差异所致。

根据模拟的结果，认为换热器的失效原因是流体在进口处和换热管发生了动量交换，动量的损失转化成对换热管的冲击力，使换热管向入口流速方向运动。紊流压力波动作用在换热管上，在换热管本身固有频率上引起响应的振动，和由于流体横掠圆管时，在两侧的下游交替发生漩涡，形成周期性漩涡尾流，致使圆管上的压力分布也呈周期性变化，导致圆管与流体方向垂直振动，流速一旦超过某一临界值并稍有增加时，振幅即有大幅度增加，形成的振幅将一直增大到管子相互碰撞 5。导致了换热管的破裂失效。

利用ANSYS有限元分析，通过对两种在管束排列方式上不同的管壳式换热器的壳程流场随壳侧进口流速的变化情况的模拟实验，得到在相同的工况下，换热器壳侧流场在排列方式上，错排时的比顺排时的均匀；同时认为，壳侧流体入口处的管束是换热器易受到破坏的主要部位；流场不均是导致管束失效的主要原因之一。因此，从流场出发，减缓管束失效可以从以下几个方面人手：1)换热管管束采用错排方式，使得进口流场分布均匀；2)保持生产操作稳定，降低管束的过度受迫振动，避免发生共振；3)分散入口流场分布。加入适当的插入物或导流元

件，以改善流场情况。

参考文献

[1]邓斌，陶文铨．管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究[J]．西安交通大学学报，2003，9(9)：889，924．

[2]阎超，钱翼稷，连祺祥．粘性流体力学[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

[3]陶文铨．数值传热学(第二版)[M]．西安：西安交通大学出版社，2005．

[4]夏清，陈常贵．化工原理(修订版)(上册)[M]．天津：天津科学技术出版社，2005．

[5]程林． 换热器内流体诱发振动[M]．北京：科学出版社，2001．