哈雷釬焊板式換熱器
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                  管殼式換熱器殼側三維流場模擬實驗

                  點擊:2072 日期:[ 2014-04-27 11:45:32 ]
                  殼式換熱器是目前應用最廣泛的換熱器ll J。在大型的連續生產的使用中,換熱器往往因為其殼程進口處管束大量斷裂而失效。文章試圖從流場出發,運用數值模擬方法,分析了造成這種失效的原因。根據管殼式換熱器的結構特點,本文對換熱器模型的結構進行了簡化,選取了有四根換熱管的單管程換熱器模型,對管束排列方式上不同的兩個換熱器模型的殼程流場隨著殼側進口流速變化的情況進行了模擬計算,得到了模型殼側的不同剖面上的流場速度等值線圖和速度矢量圖及壓力場等值線圖,直觀地反映了模型殼側的流體流動情況。1 模型及計算條件模擬所用的換熱器的四管模型結構如圖1,2所示;所用流體介質為20℃的水,所研究的換熱器模型的殼側流體流動主要特征是湍流,描述湍流的基本方程可用通用形式表達為:式中各參數 ,U, ,叫,k,£和S ,其具體表達式及湍流模型。網格劃分采用自由劃分法,數值方法為SIMPLE[3 J。兩點假設:(1)以下幾種物性參數為常量:密度998.2 kg/m3;導熱系數0.5989 w/(m*C);粘度1.005×10~Pa.s;比熱4.183 ld/2 模擬結果其它條件不變,只改變流體的入口流速,模擬計算得到相應速度下的殼側總壓降結果。3 實驗驗證實驗值和模擬值大小相近,說明模擬的結果是可靠的。4 分析與討論殼側總壓降的模擬值和實驗值相比較,計算值與實驗值的最大偏差約為35%。分析認為主要是由實驗模型與模擬模型的結構在實際精度上的差異所致。根據模擬的結果,認為換熱器的失效原因是流體在進口處和換熱管發生了動量交換,動量的損失轉化成對換熱管的沖擊力,使換熱管向入口流速方向運動。流場不均是導致管束失效的主要原因之一。紊流壓力波動作用在換熱管上,在換熱管本身固有頻率上引起響應的振動,和由于流體橫掠圓管時,在兩側的下游交替發生漩渦,形成周期性漩渦尾流,致使圓管上的壓力分布也呈周期性變化,導致圓管與流體方向垂直振動,流速一旦超過某一臨界值并稍有增加時,振幅即有大幅度增加,形成的振幅將一直增大到管子相互碰撞 5。導致了換熱管的破裂失效。利用ANSYS有限元分析,通過對兩種在管束排列方式上不同的管殼式換熱器的殼程流場隨殼側進口流速的變化情況的模擬實驗,得到在相同的工況下,換熱器殼側流場在排列方式上,錯排時的比順排時的均勻;同時認為,殼側流體入口處的管束是換熱器易受到破壞的主要部位;因此,從流場出發,減緩管束失效可以從以下幾個方面人手:1)換熱管管束采用錯排方式,使得進口流場分布均勻;2)保持生產操作穩定,降低管束的過度受迫振動,避免發生共振;3)分散入口流場分布。加入適當的插入物或導流元件,以改善流場情況。
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