管壳式换热器模拟计算

毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。

2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。

其总流阻损失应在满足规定要求。

2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。

3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。

3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。

3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。

管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究一、本文概述本文旨在通过数值模拟的方法，深入研究管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的过程。

管壳式换热器作为一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、能源、环保等多个领域。

在实际应用中，壳侧气液两相流动和传热过程的复杂性往往导致设计优化和运行控制的困难。

本文的研究对于提高管壳式换热器的性能，提升工业生产效率具有重要的理论和实践价值。

在数值模拟研究中，我们将首先建立管壳式换热器的数学模型，考虑壳侧气液两相流动的流动特性、传热过程、相间作用等因素，利用计算流体力学（CFD）等先进方法，进行求解和模拟。

通过对比实验结果，验证数学模型的准确性和可靠性。

在此基础上，我们将对管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热过程进行深入分析，探讨不同操作条件、结构参数对流动和传热性能的影响，揭示其中的流动和传热机理。

同时，我们还将探索优化设计方案，提高换热器的传热效率和稳定性，为实际工业应用提供有益的参考和指导。

本文将通过数值模拟的方法，全面研究管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的过程，为换热器的设计优化和运行控制提供理论支持和实践指导。

二、管壳式换热器的结构与工作原理管壳式换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、石油、能源、制冷等工业领域。

其基本结构由管束、壳体和管板等几部分组成。

管束由多根管子平行排列组成，管子内部为流体通道，用于传递热量。

壳体则包围在管束外部，形成一个封闭的空间，壳体内也有流体流动，与管内的流体进行热量交换。

管板则起到固定管束和密封的作用，同时也作为流体进出口的连接部分。

管壳式换热器的工作原理基于热传导和对流传热两种基本传热方式。

当两种不同温度的流体分别流过管内和管外时，由于温度差异，热量会从高温流体传递到低温流体。

管内流体通过对流传热将热量传递给管壁，然后通过热传导方式将热量传递给管外流体，最终实现两种流体之间的热量交换。

在管壳式换热器中，流体的流动状态对传热效果有重要影响。

原始数据G2m^3/d600进口水温度t2'℃95出口水温t2"℃75油水混合进口温度t1'℃20油水混合出口温度t1"℃45壳体内径Ds m1管子外径do m0.025管子内径di m0.017管子长度l m5定性温度和物性参数计算水定性温度t2(t2'+t2")/2℃85ρ968.55λ0.677v 3.455E-07a0.000668Pr 2.08油水定性温度t1(t1'+t1")/2℃32.5ρ939.925λ0.3821625v 6.91718E-05Pr839.82125换热器效率90%设计传热量Q0460592.4531冷却水量G219544.23422逆流平均温差ΔTn(Δtmax-Δtmin)/(ln(Δtmax/Δtmin))℃49.11105006试选传热系数K0118初选传热面积F079.47958493总管子数Nt A/(π*d0*l)202.4957578管程换热系数管程流通面积a2(Nt/2)*(π/4)*di^20.022913365管程流速w2G2/(a2*ρ*3600)0.303073968管程雷诺数Re2ρ*w2*di/u214912.4673管程换热系数h216674.05889壳程换热系数壳程流通面积a1π/4*(Ds^2-Nt*d0^2)0.154822852壳程流速w10.036204208壳程当量直径de(Ds^2-Nt*d0^2)/(Nt*d0)0.039054765壳程雷诺数Reρ*w2*di/u24092.465489 Nu42.0365279h1728.687767水侧油污r20.00034油水混合物油污r10.00017铁管43.2传热系数K117.842643N015.63393744s0.03125Ds0.56875202湍流Nu=741.7237 200<2100层流16。

第一章换热器简介及发展趋势1.1 概述在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。

进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。

换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。

在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。

由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。

在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。

70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。

这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。

所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。

同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。

当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。

当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。

各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。

在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。

总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。

基于FLUENT的管壳式换热器数值模拟分析王文松; 刘霜【期刊名称】《《管道技术与设备》》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】3页(P30-31,55)【关键词】管壳式换热器; FLUENT; 流场分析; 仿真模拟【作者】王文松; 刘霜【作者单位】成都理工大学工程技术学院四川乐山 614000【正文语种】中文【中图分类】TE80 引言换热器是一种广泛应用于化工、动力等行业的工业设备。

换热器能合理地调节工艺介质温度满足工艺流程的需求，也是余热、废热回收利用的有效装置[1]。

对管壳式换热器进行数值模拟分析，能有效提高换热器效率，对能源的高效利用十分重要。

随着近年来计算机和计算流体力学(CFD)的发展，CFD在研发和设计的各个阶段，具有费用低、速度快、能重复模拟分析复杂工况的优点[2]。

本文运用数值模拟的方法，对换热器进行三维建模和有限元分析，分析出了换热器内部温度场、速度场等变化关系。

1 换热器模型的建立1.1 控制方程研究对象为内部流体流动和传热过程，满足文献[3]中三类控制方程：质量守恒方程(连续性方程)、动量守恒方程和能量守恒方程。

1.2 换热器参数及计算工况本文中采用的换热器类型为壳管式换热器，为单壳程、单管程、单弓形折流板，换热器的长度为1 630 mm，壳体为Φ273×8 mm，换热管数40根，采用正三角形排列。

计算工质为热水和空气。

1.3 边界条件湍流效应对传热过程与流体流动有一定的影响，因此采用标准k-ε方程模型。

Pressure Based隐式(Implicit)求解，压力和速度解耦选用SIMPLE算法,采用二阶迎风格式,稳态不可压缩求解。

设置边界条件[4]，进口流速为1 m/s，进口温度为298 K，壁面温度为378 K。

1.4 Gambit模型建立及网格划分应用Gambit建立模型和划分网格，网格划分优先使用六面体网格，不规则形状四面体网格。

六面体网格质量好，且收敛速度快，四面体网格适应能力强，能够较好地填充复杂的几何形状[5]。

管壳式换热器模拟计算管壳式换热器的模拟计算主要包括换热器的传热计算和流体力学计算两个方面。

传热计算是指通过计算换热器内部的传热过程，确定换热量、传热系数等参数。

流体力学计算是指通过计算流体在换热器内的流动状态，确定流速、压降、流体分布等参数。

下面将对管壳式换热器的模拟计算进行详细介绍。

首先是传热计算。

在管壳式换热器中，热量是通过管内的流体传递给壳侧的流体，因此需要计算管内壁面的传热系数。

常见的方法有Dittus-Boelter公式、Sieder-Tate公式等。

计算壳侧的传热系数可以采用Dittus-Boelter公式、Kern法等。

通过计算传热系数可以得到管内和壳侧的传热量，从而确定换热器的传热效果。

其次是流体力学计算。

管壳式换热器内流体的流动状态对换热器的性能有很大影响。

在流体力学计算中，需要确定流体的流速、壁面的剪切应力、压降、流体分布等参数。

常见的方法有雷诺平均法、湍流模型等。

通过计算流体力学参数可以获得换热器的流体流动状态，从而确定流体的分布和压降。

除了传热计算和流体力学计算，还需要进行换热器的材料选择、结构设计等。

对于换热器的材料选择，需要考虑其导热性、耐腐蚀性等因素。

对于结构设计，需要考虑管束的布置方式、传热面积等。

在进行管壳式换热器的模拟计算时，需要建立计算模型、确定所需输入参数，并选择合适的计算方法和模拟软件。

计算模型应该尽可能接近实际工况，输入参数应该考虑到工况变化的影响。

选择合适的计算方法和模拟软件可以提高计算的准确性和计算效率。

最后需要进行计算结果的分析和评估。

对于传热计算结果，可以比较不同工况下的换热器传热量和传热系数，评估换热器的传热性能。

对于流体力学计算结果，可以比较不同工况下的流速、压降等参数，评估换热器的流体力学性能。

通过分析和评估，可以进一步优化换热器的设计和工况。

总之，管壳式换热器的模拟计算是一项重要的任务，对于换热器的设计、优化和性能评估具有重要意义。

通过传热计算和流体力学计算，可以确定换热器的传热效果和流体流动状态。