1、固定管板式換熱器的溫度場數值分析 2009年04月21日15:03 生意社生意社04月21日訊 固定管板式換熱器的溫度場數值分析郭崇志林長青(華南理工大學)摘要:在對實際結構進行合理簡化的基礎上,以影響流動和傳熱的主要結構建立了某固定管板式換熱器溫度場數值計算模型,采用分段模擬、整體綜合的方法,利用CFD軟件Fluent對該換熱器在正常操作工況下的流動與傳熱情況進行了數值模擬,得到了計算流道上有關各個構件的壁溫場分布,并把主要結構CFD數值計算的結果與實測溫度數據進行了對比。結果表明,CFD模擬模型數值分析得到的溫度數據與實測數據相符,說明溫度場的數值模擬分析方法及其流動條件的假定是符合實際的

2、,計算參數選擇是合理可行的。有關固定管板換熱器中管束、管板和殼體的溫度梯度變化情況的分析表明,盡管在它們的軸向、周向和徑向都存在溫度梯度,但是溫度梯度變化最大的方向是軸向,這意味著軸向將產生最大熱應力。關鍵詞:固定管板式換熱器溫度場溫度梯度中圖分類號TQ0515文獻標識碼A文章編號0254-6094(2008)06-0338-07管殼式換熱器是進行熱量傳遞的通用工藝設備。由于其具有結構堅固、操作彈性大、使用經驗豐富及可靠性高等優點,目前在工業裝備中得到廣泛采用,其中固定管板式換熱器應用最為廣泛。眾所周知,固定管板式換熱器的工作可靠性受管殼壁溫差(或溫差應力)的影響很大。因此,對換熱器工作狀態下

3、溫度場分布的研究對于如何降低管殼壁的溫差應力,努力提高固定管板換熱器的使用可靠性,延長其服役周期和使用壽命,提高熱交換系統或熱能動力系統的系統可靠性有著十分重要的意義1。有關管殼式換熱器的溫度場研究,目前大多數文獻集中于研究管板的溫度場及所產生溫差應力,以及由此導致的結構強度等問題27,通常利用Ansys大型商用軟件進行管殼式換熱器管板結構的溫度場研究,采用簡化的三維實體模型較多,一般利用已知的平均溫度或利用已知的換熱(膜)系數對幾何結構模型加載,而這些已知條件通常來源于手冊提供的數據或者經驗數據,并非來源于嚴格的換熱器流體力學與傳熱的數值計算,因此是產生結果計算偏差的主要原因之一。目前文獻對

4、于給定工藝條件下管殼式換熱器的整體溫度場研究的并不多,由于準確的溫度場是研究溫差應力及其危害的前提,因此本文利用Flu-ent軟件對一臺固定管板換熱器的約束構件之間的整體結構在正常運行工況下的溫度場數值計算問題進行了研究,首先從計算流體力學與傳熱的角度出發,利用CFD軟件Fluent的流體流動與傳熱數值模擬功能,采用分塊劃網、分段模擬的方法建立換熱器殼程主要流體與結構的三維實體流道模型8,進而進行溫度場的數值計算,隨后對Flu-ent數值計算所得到的結構壁溫分布特點進行了分析,研究了包括管束、殼體及管板的約束構件之間的溫度場在軸向、徑向及周向溫度梯度的變化情況,為進一步深入研究固定管板式換熱器

5、溫差應力數值計算問題建立了基礎。1基本方程對于所有的流體流動,CFD的通用分析軟件Fluent都是求解質量和動量守恒方程。對于包括熱傳導或具有可壓縮性的流動,需要解能量守恒的附加方程。筆者通過選擇工藝流體及流動空間,重點進行換熱器管殼程的整體溫度場數值計算,計算使用的能量守恒定律微分方程表達式9如下:2湍流數學模型在換熱器中殼程內流體一般呈湍流流動狀態。工程中對湍流問題的解法通常為雷諾時均方程法,在這些方程中任一瞬時參數都可以用平均量與脈動量之和來代替,并且可以對整個方程進行時間平均運算。標準k-方程的表達式9為:標準的k-模型在模擬帶有彎曲壁面的流動時會出現失真,RNGk-模型則是為了改進其

6、這一缺陷應運而生的。它通過大尺度運動和修正后的粘度項體現小尺寸的影響,而使這些小尺度運動有系統地從控制方程中去除,故RNGk-模型的表達式10為:3分析模型的建立3.1模型結構及參數固定管板式換熱器結構如圖1所示,主要結構參數為管心距Pt=19mm,管板厚=12mm,殼體?115mm6.5mm1406mm,換熱管18-?12mm3mm1500mm,導流筒?92mm1mm120mm,折流柵Dbo=100mm、Dbi=89mm,折流柵間距B=50mm,折流桿直徑Dr=3.2mm。折流柵的布置以及與換熱管之間的裝配如圖2、3所示,4個折流柵為一組,從4個方向(0、60、120、180)支撐換熱管。正

7、常工作狀態下,換熱器的管程介質為飽和水蒸氣,蒸汽溫度為110;殼程介質為自來水,殼程流體進口速度為vint=0.3m/s。分析模型的所有構件材料20#鋼為各向同性線彈性材料,密度7840kg/m3,熱膨脹系數1.610-6,導熱系數47.5W/(m),彈性模量210GPa,泊松比0.3。3.2建模對于固定管板式換熱器,研究溫差導致熱膨脹,進而研究與溫差變形有關的溫差熱應力的問題,必然涉及到變形受到相互約束的構件。實際運行中的固定管板式換熱器,常常由于換熱管金屬和殼體金屬存在溫度差,兩者自由熱膨脹量不同,而兩者兩端又同時固定在相同的管板上,造成兩者變形相互約束,熱變形無法緩解而產生過大的溫差熱應

8、力,最終導致管板和管子之間的連接區域出現破壞。因此,建模時需要重點考慮變形受到約束以及對于流體流動和傳熱有影響(導致溫度分布受到影響)的所有結構構件,在本文研究的換熱器中,影響傳熱(溫度場)的主要結構有導流筒、換熱管、折流柵、管板和殼體,而變形受到約束的結構構件,主要有高溫端和低溫端管板、換熱管束及殼程筒體。由上述分析可見,實際建模中,對溫度分布造成影響的結構通常包括了變形受到約束的結構。因此,建模時主要以對傳熱有影響的結構來建模。經過合理的簡化8,整臺換熱器的溫度場數值計算模型由導流筒流道(進口段和出口段)和折流柵流道組成,利用前處理程序Gambit建立的導流筒流道和折流柵流道的幾何模型如圖

9、4、5所示。3.3模型網格的劃分根據所建立的模型進行網格劃分,其劃分方案見表1、211,每個模型的網格劃分后都利用網格自檢功能進行各個指標的檢查。通過結果報告可知,網格90%都擁有較優的質量,且沒有出現畸變網格。4邊界條件的確定對于本文計算模型,邊界條件的確定如下:a.入口邊界條件。正常工作條件下,換熱器殼程進口(接管)速度往往是給定的,同時考慮到殼程為不可壓縮流體,故給出速度進口條件;折流柵流道的入口邊界根據上一流段的出口速度分布來給定。b.出口邊界條件。對于進口段模型其出口邊界可定義為自由出流;對于折流柵段,經試算后發現設置出口自由出流的邊界條件也適宜。c.固體壁面。直接將固體壁面定義為非

10、滑移(靜止)壁面,殼程內件及殼體外壁面定為絕熱邊界,對于蒸汽流過的通道表面則為恒壁溫。d.對稱面。計算模型幾何形狀、邊界條件以及流動狀況等關于zy平面對稱,在對稱邊界上,垂直邊界的速度取為0。5分析模型求解在模型的建立和求解過程中,各項選擇如下:a.計算模型。計算模型的殼程流體流動已經進入湍流,因此需要選擇合適的湍流模型,工程上常用k-模型,考慮求解的便利性,本文選擇RNGk-模型。b.求解器。Fluent中求解方法可分為耦合式求解(coupled)和分離式求解(segregated)。前者同時求解所有控制方程,計算效率較低,且對計算機內存要求高;分離式Simple算法12是工程上使用較多的計

11、算方法。本文計算模型中殼程流體不可壓縮,不考慮體積力,因此選擇分離求解器,可以更快得到收斂解。c.壓力速度耦合算法。Fluent提供了3種可供選擇的壓力速度耦合算法(Simple算法、Sim-plec算法和Piso算法),筆者采用Simplec算法。d.對流項的離散格式。在分離求解器中對流項的離散方法一般包括一階迎風格式、二階迎風格式、Quick格式等幾種。由于各有優點,在計算時根據模型的情況適當結合一階和二階精度進行。e.壓力插值格式。本文模型流動過程相對平穩,基本上沒有高強度旋流等出現,故選用標準格式的壓力插值格式。.f亞松馳因子的確定。求解器使用亞松馳因子來控制每一步迭代中的計算變量的更

12、新。Fluent軟件中所默認的亞松弛因子是從實踐經驗中總結出的、對于大多數情況下均為最優的亞松弛因子。本計算按默認值取。g.收斂準則的確定。本文模型中各殘差分別為Fluent中的默認值。主要以殘差曲線作為收斂的判斷準則。6模擬分析結果圖6顯示了入口段管子外表面壁溫的變化,由于入口段冷熱流體溫差較大,流體從入口接管流經導流結構、管板殼程側,然后沿著管束的方向流動,流體多次改變流向和分布情況。因此,入口段管子壁溫變化較急劇,局部溫差變化較大,在熱端溫度較高且相對均勻。圖7顯示入口段管板殼程側的溫度分布。由圖7可見,入口段管板殼程側的溫度變化較大(管程側則為常溫),分布不均勻。圖8顯示入口段殼體壁溫

13、的變化,由于殼體主要與冷流體接觸,整體溫度較低,變化也較緩和,而在殼體與管板連接區域,殼體的溫度較高,并且殼體的溫度分布沿著周向比較均勻,接近軸對稱的溫度分布模式。圖9給出了典型的折流珊段的管束壁溫分布。從圖9中可見,由于通過入口段后的流體得到充分發展,流道形狀變化不大,流體分布狀況的變化較小,因此管束在這些充分發展的流道內,溫度變化均勻而緩慢。圖10顯示了出口段管板殼程側的壁溫變化。通過比較圖7和圖10,可以發現入口處管板殼程側表面溫度變化較大,其中入口處上半部分管板接觸的是入口接管流入的冷流體,溫度較低,而下半部分的流體溫度相對較高,管板溫度分布也受此影響,而出口處由于殼程冷流體經過湍流換

14、熱,溫度較為均勻,因此管板內表面溫度分布也均勻。圖11顯示了出口段管束的壁溫分布,與圖6顯示的入口段管束的壁溫分布相比較,可知出口段管子壁面溫度變化較緩和。這也說明出口段換熱器內冷熱流體換熱充分。綜上所述,從圖611中可歸納以下幾點:a.盡管管程蒸汽流道表面為恒溫,但是殼程側管板表面溫度分布呈中間高邊緣低,并不均勻,入口段流動阻力較大的位置,相對溫度較高。沿管板厚度方向溫度也呈一定的梯度變化;b.由于管子和殼體存在溫差,兩者產生的熱變形量不同,而兩者又同時連接在相同的管板上,因此變形都互相受到約束,從而在熱端(或進口段)管板和殼體連接處將會產生較大的溫差應力;c.換熱管壁面上溫度的分布從高溫端

15、到低溫端逐漸變化,入口導流筒段的管子溫度梯度較大,這是因為入口處管殼兩側流體溫差較大,大部分區域的管子溫度分布是連續變化、緩慢降低的;d.冷端(或出口段)和折流柵流道管壁溫度梯度都不大,分布較為均勻,沒有出現傳統的折流板換熱器中的傳熱死區。圖12為入口段溫度分布散點圖,圖13為典型的折流柵流道壁面的溫度分布散點圖。圖12、13主要顯示了溫差變形受到約束的3個主要部件,即管板、管束和殼體之間的宏觀溫差及其分布,這些溫度及其溫差都是沿著管子軸線方向標繪的,其中溫度較高且變化平緩,處于圖形上方的一簇曲線為換熱管外壁的溫度分布,而處于圖形下方的兩條曲線分別是殼體內、外壁的溫度分布。由兩圖可知,管子與殼

16、體之間的溫度差在入口段較大,而在后續的折流柵流道溫差逐漸下降,變化不大,處于一個較穩定的值。而沿著軸線方向殼體內外壁的溫度緩慢上升,由此導致管殼壁之間的溫差逐漸降低。從上述圖中也可以觀察到,沿著給定的方向換熱器內部溫度梯度的變化情況:對于管束,管層之間的軸向溫度梯度變化在進口段最大,以后逐漸穩定;管層之間的徑向存在一定的溫度梯度,但是管層環向的溫度梯度則不明顯,后續流道的溫度梯度的變化主要體現在軸向,且數據穩定。對于殼體,在與管板連接區域出現較大的軸向和徑向溫度梯度,而周向溫度梯度則較小,說明溫度分布接近軸對稱狀態;對于管板,結果顯示管板厚度(管子軸線)方向、徑向及周向都存在溫度梯度,其中以軸

17、向溫度梯度最大。數據比較表明,管板的溫度分布及其溫度梯度變化,與入口流體的狀況有較大關系,其熱應力分布涉及的影響因素比較復雜。綜上所述,可以認為熱變形相互受到約束的構件之間,產生熱應力主要在軸向,其他方向的熱應力相對較小。7實驗測試及其比較為了部分驗證上述分析結果,同時考慮到實施的難度,在換熱器入口段(熱端)管板的管程側和殼程側分別布置熱電偶進行了在給定的工藝條件下穩態運行時熱端管板壁面溫度測試。管板上溫度測試點分布圖如圖14所示。實驗得到的溫度測試數據與CFD溫度場數值分析得出的溫度數據進行對照,如表3所示。其中測試數據為熱電偶的讀數平均值,模擬分析的溫度數據為測點坐標上的CFD計算數據13

18、。由表3可見,盡管測試溫度數值與CFD仿真得出的溫度數值有一定的差別,但是兩者吻合程度較高,而考慮到溫度傳感器的測量誤差和CFD數值模擬引入模型的各種假定產生的誤差,可以認為通過CFD的Fluent在流體力學與傳熱模型上進行熱分析,進而得到結構壁面溫度場的數值模擬結果是可靠的,也說明前面對分析模型所作的假定是符合實際的。8結束語用CFD軟件對固定管板式換熱器三維實體流道模型進行了仿真分析,利用分段模擬、整體綜合的方法對該換熱器進行了正常工況下整體溫度場的數值模擬,獲得了換熱器模型流道壁面的溫度場。分析過程中主要以影響傳熱的結構來建立分段模型,同時保證分段模型數據的連續性,選擇RNGk-模型進行求解,利用Fluent對各分段模型進行數值模擬分析之后,將數值計算得到的管板溫度分布與實測溫度分布數據進行了對比,結果可知模擬模型數值分析得到的換熱器主要結構部件的溫度場與實測的結果相符。說明溫度場的數值模擬分析方法及其流動條件的假定是符合實際的,計算參數選擇是合理可行的。此外,有關固定管板換熱器中管束、管板和殼體的溫度梯度變化情況的分析表明,盡管在軸向、周向和徑向都存在溫度梯度,但是溫度梯度變化最大的方向是軸向,這說明軸向將產生最大熱應力。參考文獻1國家標準GB150-1998.鋼制壓力容器2楊宏悅,蔡紀寧,