换热器管束排列方式对流场影响的数值分析

高压加热器的换热效率与管束设计分析高压加热器是一种用于提高流体温度的关键设备，广泛应用于化工、电力、石油等工业领域。

换热效率是衡量加热器性能的重要指标，而管束设计是影响换热效率的关键因素之一。

本文将重点探讨高压加热器的换热效率与管束设计的相关性，并提出一些优化建议。

换热效率是指加热器中热量传递的效率，即输入和输出热量的比值。

高换热效率意味着更高的热量利用率和更低的能源消耗。

在高压加热器中，换热效率的提高可以通过多种方法实现，其中管束设计是一个重要的因素。

首先，合理的管束布置可以提高高压加热器的换热效率。

管束的布置应考虑到流体流动的均匀性和热量传递的有效性。

通常情况下，将管束布置成复杂的三维结构可以增加流体与管壁的接触面积，从而提高热量传递效率。

此外，合理的管束布置能够减小流体流动阻力，降低能源消耗。

其次，管束的尺寸和材质选择对换热效率也有很大影响。

管束的尺寸应根据流体的性质、流速和温度要求来确定。

一般来说，较小直径的管束可以增加热交换的表面积，提高换热效率。

此外，正确选择管束的材质也非常重要。

对于高温高压的流体，应选择能够耐受腐蚀和高温的材料，以确保加热器的长期稳定运行和高效换热。

在管束设计中，流体的流动模式也需要考虑。

不同的流动模式会导致不同的热传导方式，从而影响换热效率。

常见的流动模式包括层流和紊流。

层流一般发生在低速流动和细小管径下，其热传导效果相对较好。

而紊流发生在高速流动和较大管径下，其热传导效果相对较差。

因此，在管束设计中应考虑流体的流动模式，选择合适数量和尺寸的管束，以实现最佳的热传导效果。

除了上述因素外，高压加热器的换热效率还受到一些其他因素的影响。

例如，管束周围的壳体结构、壳体内外流体的温度差、外部环境等因素都可能影响到换热效果。

因此，在进行管束设计时，还需要综合考虑这些因素，以获得最优的换热效率。

为了优化高压加热器的换热效率与管束设计，我们可以采取一些措施。

首先，通过数值模拟和实验测试等方法，研究不同参数对换热效率的影响，以便找到最佳的管束设计方案。

顺排管束流动和传热数值模拟刘万旺;许志美;宗原;赵玲;柏德鸿;严水霖【摘要】采用数值模拟的方法考察了列管式换热器中顺排管束的流动和传热问题,计算了不同纵向节径比(SL/D)和横向节径比(ST/D)对顺排管束传递特征的影响,并综合评价了其换热效果.结果表明,管排结构中大部分圆管均受尾流影响,在前列圆管尾流的作用下,尾涡结构被改变.相比于单圆管,管排结构强化传热的作用较明显,且对管排横向间距变化较为敏感.结果显示,增大SL/D和S T/D均能提高努塞尔数(Nu),但同时阻力系数也随之增大.当SL/D=2.7,ST/D=2.5时,管束的综合传热能力最优.此外观察到管排结构可以减小涡脱落频率,对涡脱落起一定的抑制作用,并通过线性拟合得到了管排斯特劳哈尔(St)数与雷诺(Re)数的关系.【期刊名称】《华东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(045)001【总页数】8页(P15-22)【关键词】管排;强化传热;数值模拟;涡脱落【作者】刘万旺;许志美;宗原;赵玲;柏德鸿;严水霖【作者单位】华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237【正文语种】中文【中图分类】TK124列管式换热器在工业生产过程中具有广泛的应用，高温流体通过密集的管束可以将热量进行回收。

当流体在管束中流动时，如果管壁温度低于流体露点温度，则会发生低温腐蚀，造成设备的损坏[1-2]。

此外，当壳层流体在管束间横向流动时，还可能由于流体在管束间涡旋脱落频率和管束的声学驻波频率相重合，从而引起管束振动[3-4]。

因此，对于工业列管式换热器设计而言，有必要充分考虑流场对换热过程的影响，从而正确布置受热面、选择换热面积，保证工业换热器制造的经济性和运行的可靠性。

1 换热器传热性能数值模拟方法1.1 换热器传热性能数值模拟实验装置在化工设备领域，圆形翅片管换热器各个参数对换热器传热性能的影响，是研究者长期以来关注的重要内容[1]。

根据圆形翅片管换热器参数问题的研究现状，一些前沿化的研究成果多集中于翅片间距、翅片厚度、翅片半径、翅片数目和换热条件等多方面内容。

在笔者看来，根据换热器翅片管的结构，雷诺数、纵向管间距及管束排列方式等内容对换热器性能的影响，也是换热器传热性能研究过程中所不可忽视的内容。

在分析上述因素对换热器传热性能的银杏是，人们可以借助碳钢板材质的内插翅片管矩形通风管道，调整换热器的管束排列与管间距。

根据一些试验人员在在相关实验中所采取的经验，矩形通风管道的管道长度可以控制为2000mm、宽度可以控制为350mm ；高度可以控制为360mm，管道之中可以安插9排差翅片管；翅片管的直径为16mm 或32mm ；厚度为1mm，翅片之间的间距可以控制为6mm。

1.2 物理模型与计算方法转换器传热性能数值的物理模型建立在碳钢板材质的矩形通风管道的基础之上。

与之相关的简化模型应用有三维双精度解法器。

在边界条件设定过程中，研究人员可以将物理模型管壁看作是常温壁，管壁厚度对换热器导热的影响和翅片与管壁之间的接触热阻可以忽略不计。

在物理模型建构完成以后，流动过程与传热过程的支配因素主要涉及到了以下内容：一是连续性方程；二是动量方程；三是能量方程。

前文所述的实验设备的速度入口与压力出口可以被看作是模型的进出口，为避免试验模型出口处出现的回流现象，研究人员可以对出口处的计算区域进行延长处理。

在换热器近壁面区域温度变化较为激烈的情况下，研究者需要对近壁面区域进行网格加密处理，与之相关的湍流模型为RMG k-ε模型。

速度和压力耦合的计算方法为SIMPLE 算法，压力离散为Standard。

为保证实验过程的精确性，动量、湍动能和动量离散等内容需要采用二阶迎风格式，能量残差需要控制在10-9以下；其余物理量的残差需要控制在10-6以下。

空气横掠管束时的强迫对流传热实验13级能动卓越唐萍南201323060314同组人员：方迅舟潘捷陈明松摘要：对管束的排列方式、空气来流速度的大小对换热系数的影响进行了实验验证。

并根据最小二乘法等数据处理方法整理了使用本系统测试的实验数据,对实验数据进行了分析与讨论。

以图表的形式清晰的表述了影响因素的不同带来的变化规律。

实验系统结构合理紧凑、实验精度较高。

通过此次实验，很好的帮助了学生了解换热系数在空气横掠管束时的主要影响因素，对以后的学习以及工作中从事换热方面的研究打下坚实的基础。

关键词：叉排，顺排，换热系数，来流速度目录一.实验原理 (1)1.1管束排列方式对换热系数的影响： (1)1.2来流速度对换热系数的影响： (2)二．实验装置及测量系统 (2)三．实验步骤 (3)四．实验数据计算方法 (4)五．试验结果分析 (6)5.1试验结果处理步骤（以50pa动压顺排方式为例） (6)5.1来流速度对换热系数的影响试验结果分析 (7)5.2管束排列方式对换热系数的影响验结果分析 (9)六.实验优缺点分析 (11)对流换热是传热学中最基本、最重要的研究领域之一，流体横掠管束管束时的对流换热其换热系数除受到管径影响外，还受到管距、管排数和排列方式的影响。

由于相邻圆管的影响，流体在管间的流动截面交叉减少，流体在管间交替加减速，管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加减速的程度，管束排列方式对换热系数h的影响比较明显。

本文将从管束的排列方式、空气来流速度的大小对换热系数的影响方面展开细致的讨论。

一.实验原理1.1管束排列方式对换热系数的影响：流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距，管排数和排列方式也影响对流传热系数。

由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉的减少，流体在管间交替地加速和减速。

管距地大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。

从第二排起，后排管子受第一排尾部涡流的的影响。

列管式换热器中管程介质流动均匀性数值模拟与优化刘伟军;李雄【摘要】在双管程烟-水介质的列管式换热器中,针对烟气在管程中流量分布不均匀对换热效果的不利影响,利用FLUENT软件对管程结构进行模拟与优化.考虑折返通道高度h、两管程间距L、换热管列数r、管内径d和管节距S 5个主要特征尺寸对流动均匀性的影响,采用正交试验方法进行数值模拟试验.通过极差和方差分析,得出影响烟气流动均匀性的显著因素是d,其次是r和h,而不显著因素是L和S.在模拟参数范围内,得到管程结构的最优组合参数:h为60mm,L为20 mm,r为4,d为7 mm,S为11.6 mm[1.45(d+1)].优化后的各管程中流动均匀性明显得到改善.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2015(033)005【总页数】6页(P19-24)【关键词】列管式换热器;流动均匀性;结构优化;正交试验;数值模拟【作者】刘伟军;李雄【作者单位】上海工程技术大学机械工程学院,上海201620;上海工程技术大学汽车工程学院,上海201620【正文语种】中文【中图分类】TK172.4列管式换热器具有结构坚固、操作弹性好，单位体积的传热面积大等特点［1］，应用广泛。

对于多管程列管式换热器，其介质折返处存在弯曲通道。

当管程介质为热烟气，流经折返通道时，流线发生突变，导致主流与管壁脱离［2］，使整个管程内流场不均匀。

管程内速度场不均匀会对温度场的均匀性产生不利影响［3］，换热器的换热效果将降低。

因此，有必要通过流场模拟计算得出最优管程结构。

国内外对多管程及多管并列的换热器中流体分布均匀性也有一些研究，Hibib［4］通过数值模拟，以扁平结构的平行流换热器中影响流量分配的因素为研究对象，得出影响流量分配的主要因素为分流管的直径和数量，但仅适用于液态的管程介质。

Chung［5］通过数值模拟，分析了平行流冷凝器中集流管通道高宽比、流量分配器等设计参数对流量分配的影响，对本文数值模拟有指导意义。

列管式换热器管排列方式
列管式换热器的管排列方式通常有三种基本类型，分别是并列（parallel）、交叉（perpendicular，或称交错）、对流（counterflow）。

这些排列方式影响着换热器的性能和热效率。

并列排列（Parallel Flow）：在并列排列中，热源流体和冷却流体在管束中沿相同的方向流动。

这意味着两种流体的入口和出口是在相同的端口。

尽管简单，但并列排列的热效率通常较低，因为在流动过程中两种流体的温差会逐渐减小。

交叉排列（Crossflow，也称为交错排列）：在交叉排列中，热源流体和冷却流体分别从换热器的两个不同的端口进入，它们在管束中交叉流动，然后在另一端口离开。

这种排列方式能够提高热效率，因为在流动过程中，两种流体之间的温差保持较大。

对流排列（Counterflow）：对流排列是一种更高效的排列方式，其中热源流体和冷却流体在管束中分别从两个相对的端口进入，然后沿相反的方向流动。

这样的排列方式使得两种流体之间的温差保持相对较大，从而提高了换热效率。

板式换热器流动与传热数值分析板式换热器是目前工业生产中常用的传热设备，使用广泛且应用范围广泛。

为了更好地了解板式换热器的传热机理和流动特性，我们对其进行数值分析。

本文将从板式换热器工作原理、数学模型、数值方法和结果分析等方面展开讨论。

一、板式换热器工作原理板式换热器是一种通过板与板之间的传热面积实现传热和传质的设备。

它由多个平行排列的金属板组成，热流体和冷流体通过板之间的流道交替流动，从而实现传热和传质。

在板式换热器中，热流体和冷流体通过对流的方式进行热量交换。

当热流体从上面流过时，它的温度会降低，并且热量会通过板传递给冷流体。

冷流体则在经过板后的流道中升温，吸收热量。

二、数学模型为了进行数值分析，我们需要建立板式换热器的数学模型。

在这个模型中，我们考虑了质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程。

质量守恒方程:∂ρ/∂t + ∇·(ρu) = 0动量守恒方程：ρ(∂u/∂t + u·∇u) = -∇P + μ∇^2u + ρg能量守恒方程：ρCp(∂T/∂t + u·∇T) = ∇·(k∇T) + H其中，ρ表示流体密度，u表示流体速度，P表示压力，μ表示动力粘度，γ表示比热容，k表示热传导系数，H表示热源项。

三、数值方法为了解决数学模型中的方程，我们采用了有限体积法进行数值求解。

将传热设备空间离散为若干小单元，对每个小单元进行质量守恒、动量守恒和能量守恒的计算，得到它们之间的关系。

通过迭代求解，获得整个板式换热器的流动和传热情况。

四、结果分析通过数值计算，我们可以得到板式换热器的流动和传热数值结果。

通过对结果的分析，我们可以了解到板式换热器在不同工况下的传热效果以及流动特性。

在传热效果方面，我们可以计算出板式换热器的传热系数和换热效率。

通过调节流体的流量和温度等参数，可以改变传热系数和换热效率。

同时，我们还可以计算出板式换热器的压降和温度分布等特性。

在流动特性方面，我们可以观察到流体在板式换热器中的流动情况。

2019年第38卷增刊1 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS收稿日期：2019–05–13；修改稿日期：2019–05–20。

第一作者：欧阳新萍（1964—），男，硕士，教授，研究方向为换热器及强化传热。

E-mail ：xpoy@ 。

通信作者：秦洁，硕士研究生，研究方向为换热器及强化传热。

E-mail ：qinjie1996@ 。

引用本文：欧阳新萍, 秦洁, 薛林锋. 多股流绕管式换热器的管束排布及传热计算[J]. 化工进展, 2019, 38(s1): 39–45.Citation: OUYANG Xinping, QIN Jie, XUE Linfeng. Tube bundle arrangements and heat transfer calculations of multi-stream spiral-wound heat exchanger[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(s1): 39–45.·39·化 工 进展DOI ：10.16085/j.issn.1000–6613.2019–0774多股流绕管式换热器的管束排布及传热计算欧阳新萍1，秦洁1，薛林锋2，白桦1，夏荣鑫1，赵加普1，李思思1（1上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093；2江阴金童石化装备有限公司，江苏 无锡214400） 摘要：多股流绕管式换热器的结构复杂，传热计算的难度较大。

常见的计算方法是根据一些假定条件建立计算模型、进行数值求解，这种计算方法较复杂，不适合工程计算。

而一些能用于工程计算的简便解析计算方法则存在迭代计算复杂、应用范围受限的缺点。

本文列举了几种典型的多股流绕管式换热器的管束排列结构，分析了各自的结构特点；给出了多股流换热器的管板结构及相应的流体进出口接管方式，分析了各自的优缺点及应用场合。

换热器管束排列方式对流场影响的数值分析院系：化学工程学院专业：热能与动力工程指导老师：周俊杰老师******学号：***********日期：2008-11-13换热器管束排列方式对流场影响的数值分析白彩鹏(郑州大学热能与动力工程系，河南郑州 450001)摘要：建立了四种管束不同排列方式的模型，利用Fluent软件，,计算出管壳式换热器不同排列形式的二维压力场、速度场和温度场，并对不同排列形式的压力损失、速度分布和换热效果进行了对比，综合说明了它们的优缺点，对换热器的设计提供了一定的参考。

关键字：换热器;管束;排列方式;数值分析The Numerical Simulation of the Influence of Tube bundle Arrangements in the Heat ExchangerBAI Caipeng（Department of Thermal Energy and Power Engineering;Zhengzhou University,Zhengzhou 450001，Henan，china）Abtract:This paper establishes four different models about the arrangement of the tube bundle,and using the software of Fluent,the numerical simulation of the two-dimensional pressure,speed and temperature fields is computed by choosing the different arrangements of the tube bundle in the shell-and-tube heat exchangers.Pressure loss, distributions of velocity and effect of heat transfer are compared and analyzed,moreover,a comprehensive description of their strengths and weaknesses. Reference information for the improvement of the heat exchanger can be obtained by the analysis of this flow.Key words:heat exchanger ;tube bundle; arrangement ; numerical simulation序言换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。