小型管壳式换热器壳侧的CFD分析翻译

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1、小型管壳式换热器壳侧的CFD分析摘要：管壳式换热器的壳侧设计;对于特定折流板间距下的换热器，通过对换热器传热系数和压降相关的折流板切口和壳体直径进行建模模拟，壳内的流动和温度场模拟使用商业CFD软件。通过改变单壳程和单管程换热器折流板数目和湍流程度进行一组CFD模拟。其结果由观测到的模型的湍流程度的大小而定，其中湍流模型的好坏是由是传热系数而定的，出口温度和压力降结果进行比较由计算流体力学中的贝尔特拉华方法来确定。两个折流板的切口值，是通过改变折流板间隔，壳的换热能力及直径比来影响流体的流速。1.简介各种种类的的壳管式换热器被广泛应用于工业及

2、能量转换系统中。管式换热器制造商协会（TEMA）定期出版标准和设计建议（第9版出版于2007年[1]）。已经根据TEMA标准，并使用推荐的与之相关的分析方法非常成功地设计出了管壳式换热器。由于早期工业经验的积累和操作数据以及改善仪器，制造方法不断改进。使用相似的方法可用于分级，还可以使用迭代获得一般换热器的性能参数(评价)。在给定迭代中,如果考虑的性能设计计算是不满意,可以获得更好的执行设计通过改变设计参数在正确的方向上。在特定迭代中，如果所考虑的性能设计计算不令人满意，可通过改变在正确的方向的设计参数来获得一个性能更好的设计。一位经验丰富的

3、换热器设计师知道向那个方向进行变化。举一个简单的例子：如果管程传热系数小于预期值,可以猜测是速度较低,可以在下一次迭代中设置一个较小的截面流动面积。虽然它是比较简单的调整管侧的参数，但很难得到正确的壳程组合。如果可能的话，以可视化的流量和温度网络在壳侧的性能可以简化弱点的评价，从而引导设计人员到正确的方向。计算流体动力学（CFD）对获取这种能力非常有用。由于不同的流体回路之间有许多不同的泄漏和旁路流，管壳式换热器的壳侧流动非常复杂。每个的重要性的泄漏和旁通流可能会使外壳设计和大小有所不同。然而，对于一些小型的换热器，这些流动或许并不存在，或者

4、相比于主流流动来说是可忽略的。在本研究中使用的换热器模型是比较小的尺寸，因此，相比于主流流动，所有的渗漏和旁路流的可以忽略不计的。即使对于这样几何形状的壳体，由于折流板的存在，流体在壳侧流动仍具有复杂的结构。折流板用于引导所述壳体内的流体从入口到出口的同时保持有效循环的壳程流动，从而提供较大的有效传热面积。用于本研究的单弓形折流板是最普通的折流板类型。它有一个切口，允许流体通过并行或逆流方向。折流板的切口（BC）大小是由折流板直径的百分比而定。为了创建横跨管束流动路径（形成交叉流动视窗）将一些折流板置于沿所述壳体中的交替方向（切朝上，切口朝下

5、，切口朝上再次，等等）。折流板之间的间距(B)决定了流体的流动状态。如图1所示,使用6块等距的折流板。流动和传热特性极易受折流板间距和折流板切口的影响。折流板切口和隔板距离的影响如图2所示。对于一个给定尺寸的壳体,理想的配置取决于折流板和折流板间距。当这些值小于理想值时，主流经过切割折流板由下一个折流板和不需要的回流区的形式体现出来。对应的回流区的传热面积不能被有效地使用。在本研究中，考虑折流板间距对传热和压降的影响，对两种不同的折流板切口值进行分析。最常用的基于相关的设计外壳的方法是克恩方法[2]和铃-德拉瓦州方法[3]。克恩方法给出了保守

6、的结果，只是适合初步分级计算。铃-德拉瓦州方法是一个非常详细的方法，通常在设计壳程几何尺寸时能非常准确估计壳程传热系数和压降。当铃-德拉瓦州方法评价时，它可以指示在外壳侧面的设计中可能存在的缺陷，但不能找出这些弱点。为了了解的壳侧设计时产生缺陷的原因，必须充分了解外壳内的流体的流动状况。因此此，进行了众多的分析，实验和数值研究。多数研究都集中在壳管式换热器的设计上。其中，盖伊等[4]主要研究关于传热系数，而哈勒等人[5]Pekdemir等[6]加迪斯和GNI-elinski[7]等主要研究压力降。一些研究者仅集中于研究在壳管式换热器的某些部分

7、。李、科特肯[8,9]、卡诺和Ajib[10]等研究了在换热管排列对换热效果的影响。Sparrow和Reifschneider[11]，Eryener[12]，卡诺和Ajib[13]主要研究了折流板间距对换热和压降的影响。研究结果表明：折流板,折流板间距是影响压降和壳程传热特性最重要的几何参数。在本研究中，我们集中在这两个参数上，通过消除上述的壳管式换热器的设计中的渗漏和旁路流现象，建模详见计算流体动力学（CFD）模拟。与相关性的方法相比,利用CFD的方法在换热器设计中是有限的。既可以采用CFD的方法进行评级，又可以迭代地计算出换热器的尺寸。

8、它主要是用在最初的设计步骤中,减少样机的测试的数量，并可以很清晰的观察换热器在运行中的流动状况[14]。CFD仿真能够成功的运行一个完整的换热器模型,需要计算机具有