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基于Fluent管壳式换热器数值模拟及优化

孟玮  
【摘要】:随着全球性能源危机的持续加重,人们越来越重视对能源的二次利用,换热器作为一种重要的能量交换设备,已经被广泛的应用于各个行业。传统的单弓形折流板管壳式换热器则是当前使用最广泛,市场占有率最高的换热设备。但由于其壳程流体容易产生换热死区,导致换热效率低下,同时折流板的存在使得流体对换热管束产生强烈的横向冲击,诱导换热管束发生振动,使得换热器在工作时产生噪音,降低了换热器工作的可靠性,甚至产生破坏。为了解决单弓形折流板管壳式换热器存在的不足,人们提出了各种新型折流板管壳式换热器,但由于其大多生产加工困难,对设备使用和维护的条件要求较高,造成成本较高。此外,高端换热器的研究和使用多集中在发达国家,我国自主生产研究相对落后,新型折流板管壳式换热器在我国的使用受到了很大的限制。因此,寻找一种高效的新型折流板换热器具有非常重要的意义。本文在对当前管壳式换热器结构特点及特性进行讨论后提出了两种新的折流板结构:Y型折流板和T型折流板。文章使用了ANSYS Workbench平台,创建了单弓形折流板、Y型折流板和T型折流板管壳式换热器的几何模型及有限元模型,利用Fluent流体分析软件对换热器模型进行求解。本文分析了换热器在不同流体入口速度下的壳程流体流动状态,对比了三种不同折流板结构换热器壳程流体的压力、温度、速度、Nu以及f等换热性能。针对Y型折流板管壳式换热器,研究了折流板侧板夹角对Y型折流板换热器壳程换热性能的影响,分析了三种不同角度(30°、50°和70°)Y型折流板换热器,得到其壳程流体流场分布状况。对T型折流板管壳式换热器则探讨了折流板表面肋片对换热器性能的影响,文章同样分析了三种不同形式肋片(光滑、三角形、矩形)T型折流板换热器壳程流场分布状态。通过上述对比分析,得到T型折流板换热器换热效果最佳。对于T型折流板管壳式换热器,本文使用MATLAB数值处理软件拟合出其壳程流体换热准则方程,并利用Design Exploration多目标优化工具,对T型折流板的结构参数进行优化。通过本文的研究工作,对Y型及T型折流板管壳式换热器换热性能有了初步的了解,考虑到相比与传统单弓形折流板管壳式换热器及新型折流板换热器,这两种折流板结构都有自己的优势,在以后的生产活动中将有广泛的应用前景。


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