摘要：傳統(tǒng)的管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性分析方法計(jì)算得出的凝結(jié)水流量等參數(shù)與實(shí)際相差較大，為此提出了一種新的管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性數(shù)值模擬方法。建立數(shù)值模擬模型，定義殼側(cè)流體流動(dòng)邊界條件，通過對(duì)殼側(cè)流體流動(dòng)情況的計(jì)算求解，得出數(shù)值模擬分析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法分析得出的凝結(jié)水流量明顯比傳統(tǒng)方法更接近實(shí)際情況，準(zhǔn)確性更高。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器;殼側(cè)流體;流動(dòng)特性;數(shù)值模擬

0 引言

管殼式換熱器是為了滿足長期處于高壓環(huán)境中的電廠、鍋爐廠等大型換熱器運(yùn)行需求而研發(fā)生產(chǎn)的。為了進(jìn)一步提高傳統(tǒng)管殼式換熱器的工作效率，在傳統(tǒng)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，強(qiáng)化了用于傳熱的擋板結(jié)構(gòu)，有效提高了傳熱效果[1]。本文針對(duì)傳統(tǒng)管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性分析方法計(jì)算得出的凝結(jié)水流量等參數(shù)與實(shí)際相差較大，不滿足電廠、鍋爐廠等大型換熱器檢驗(yàn)維修標(biāo)準(zhǔn)的問題，對(duì)管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性數(shù)值進(jìn)行了模擬分析。

1 管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)

1.1 ? ?建立管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)數(shù)值模擬模型

對(duì)需要進(jìn)行數(shù)值模擬分析的研究對(duì)象——管殼式換熱器進(jìn)行前處理，根據(jù)數(shù)值模擬對(duì)象的實(shí)際參數(shù)，建立如圖1所示的管殼式換熱器數(shù)值模擬模型。

本文采用流體力學(xué)模擬基礎(chǔ)軟件，結(jié)合其強(qiáng)大的網(wǎng)格規(guī)劃功能，將建立的管殼式換熱器數(shù)值模擬模型直接引入到流體力學(xué)模擬基礎(chǔ)軟件中，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，首先對(duì)上文建立的模型上端和下端出口進(jìn)行劃分，并對(duì)其他各個(gè)結(jié)構(gòu)分別劃分網(wǎng)格，再對(duì)劃出后的網(wǎng)格分別進(jìn)行劃分[2]。采用混合網(wǎng)格方式的四面體和金字塔網(wǎng)格對(duì)管殼式換熱器數(shù)值模擬模型各個(gè)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，考慮到對(duì)后續(xù)模擬計(jì)算速度的影響，本文對(duì)上端和下端接口采用六面體網(wǎng)格對(duì)其殼側(cè)劃分成如圖2所示的網(wǎng)格模型。

本文選用分離隱式求解器，選擇混合物模型作為流體流動(dòng)的計(jì)算模型，并考慮相同的速度滑移。采用標(biāo)準(zhǔn)的雙方程湍流模型，通過管殼式換熱器殼側(cè)標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)殼側(cè)的流體流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，完成對(duì)管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)數(shù)值模擬模型的建立。

1.2 ? ?定義管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)邊界條件

本文主要針對(duì)管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)，因此殼側(cè)內(nèi)部的流體應(yīng)為高溫飽和的水蒸氣，管側(cè)流體應(yīng)為低溫冷卻水，將高溫飽和水蒸氣與低溫冷卻水轉(zhuǎn)換的過程看作是冷凝相變換熱的過程[3]。根據(jù)管殼式換熱器實(shí)際工作運(yùn)行情況，在數(shù)值模擬分析時(shí)，假設(shè)上端入口流體的流動(dòng)速度為均勻分布，流體流量和溫度等物理量根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。對(duì)流體的湍流強(qiáng)度定義根據(jù)如下公式進(jìn)行設(shè)定。

式中，P為流體的湍流強(qiáng)度;v為流體湍流脈動(dòng)速度;v為流體平均速度;ReDH為按照水力直徑為DH計(jì)算得出的雷諾數(shù)。對(duì)于管殼式換熱器殼側(cè)壁面采用不可滲透、無滑移絕熱壁面作為邊界條件。

1.3 ? ?殼側(cè)流體流動(dòng)情況計(jì)算求解過程

針對(duì)管殼式換熱器殼側(cè)流體為冷卻水的情況，由于冷卻水會(huì)受到殼側(cè)的高溫逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵?，因此將本文上述建立的?shù)值模擬模型整體旋轉(zhuǎn)180°，并使下端出口方向朝與水平面垂直的正方向，從而更有利于水蒸氣的排出。本文采用分離隱式求解器對(duì)其數(shù)值模擬進(jìn)行分析，設(shè)置殼側(cè)流體為293 K標(biāo)準(zhǔn)冷卻水，物性參數(shù)取定性溫度環(huán)境下的常量，將水設(shè)定為主相，將氣體設(shè)置為第二相，設(shè)置氣體的最小顆粒的直徑為1.68×10-4 m。由于在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)受到重力的影響，因此將縱向流速的方向設(shè)置為管殼式換熱器的方向，將縱向流速設(shè)置為8.67 m/s2。針對(duì)兩個(gè)分區(qū)分別設(shè)定不同的溫度，并對(duì)控制殼側(cè)內(nèi)部體積的物理量采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散處理，根據(jù)離散結(jié)果得出管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性數(shù)值模擬分析凝結(jié)水體積分布、速度場分布、溫度場分布、壓力場分布等結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

本文選擇某電廠常用管殼式換熱器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，管殼式換熱器的殼側(cè)內(nèi)徑為120 mm，總長度為1 400 mm，下端出口處接管直徑為45 mm，長度為75 mm，折流板厚度為2.5 mm，兩個(gè)折流板結(jié)構(gòu)之間距離為135 mm，圓缺高度為25.5 mm，排水缺口處位于折流板結(jié)構(gòu)的正上方，其內(nèi)徑為12 mm。分別利用本文提出的管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性數(shù)值模擬方法與傳統(tǒng)管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性分析方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，并將其分別設(shè)為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。將實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組得出的管殼式換熱器殼側(cè)凝結(jié)水流量分析結(jié)果，分別與實(shí)際凝結(jié)水流量進(jìn)行比較，并將對(duì)比結(jié)果繪制成如圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。

根據(jù)圖3中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組數(shù)值模擬的發(fā)生冷凝相變的凝結(jié)水流量會(huì)隨著飽和水蒸氣的溫度升高而呈現(xiàn)出上升趨勢，但實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的分析結(jié)果與實(shí)際凝結(jié)水流量對(duì)比，明顯實(shí)驗(yàn)組與實(shí)際情況更相符。因此，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性數(shù)值模擬方法通過數(shù)值模擬得到的分析結(jié)果準(zhǔn)確性更高，在實(shí)際應(yīng)用中分析結(jié)果更符合實(shí)際情況。

3 結(jié)語

本文針對(duì)管殼式換熱器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的殼側(cè)流動(dòng)情況，提出了一種全新的流動(dòng)特性數(shù)值模擬方法，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了該方法的優(yōu)勢。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在殼側(cè)的折流板圓缺處及排水缺口位置上，流體流動(dòng)的速度、溫度以及壓強(qiáng)都發(fā)生了較大的改變，說明在該區(qū)域內(nèi)存在較強(qiáng)的工作強(qiáng)度，隨著使用時(shí)間的不斷增加，該區(qū)域勢必會(huì)出現(xiàn)過早老化的現(xiàn)象，降低管殼式換熱器的使用壽命。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2020-04-25

作者簡介：許麗華（1982—），女，河北邢臺(tái)人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能設(shè)計(jì)。