套管换热器设计计算与CFD仿真

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1绪言

此日咱们用换热器业余打算软件HTRI打算一个套管换热器，并用FLUENT举行摹拟。

2HTRI筹划

某套管换热器欺诈高温尾气将空气由.6℃加热至℃，尾气温度将由.6℃降为.2℃。

热侧流体组分构成：N2：0.kmol/h、CO2：0.kmol/h、H2O：0.kmol/h、O2：0.01kmol/h；冷侧流体为紧缩空气。

冷侧收支口温度为.6℃和℃，热侧收支口温度为.6℃和.2℃。

冷侧出口压力为2.bar.a，同意压降20kPa，热侧出口压力1.bar.a，同意压降20kPa。

冷侧流体品质流量为3.kg/h，热侧流体品质流量为5.kg/h。

冷侧收支语气相组分均为1，热侧收支语气相组分均为1。

从传热角度登程，为节减热损失，换热器内管走热流体，外管走冷流体，流体走向为逆流。

换热器冷热侧全部6个工艺参数，不采纳冗余输入，因而相对不首要的热侧出口温度不做为输入前提。

换热器的工艺物料首要成份均为空气，参考《化工工艺打算手册》，冷侧污垢系数取0.m2?K/W，热侧污垢系数取0.m2?K/W。

图1工艺前提输入

初选换热器尺寸举行试算：套管内径18.88mm，内管外径13.7mm，带6个纵向翅片，管子壁厚1.65mm，翅片高度2mm、厚度2mm，换热管长度0.35m，程度安顿。换热管横截面尺寸以下图所示。

图2换热管横截面

依照以上输入前提，换热器筹划成效以下。换热器总传热系数为27.04W/m2?K，传热面积0.02m2，传热量为.4W，均匀温差.3℃，打算裕量26.5%。介质崎岖压降别离为冷侧0.kPa，热侧0.kPa，远小于同意值。从热阻分派来看，首要的热阻位于内管侧，约占比68.54%，可思索在内管增进巩固传热举措，进一步减小换热管长度，比方增进内插件—歪曲带，但由于流速已达31.4m/s，巩固传热的同时也会增进必要崎岖压损。

图3初选换热器筹划成效

3CFD仿真

依照以上打算的换热管尺寸创立1:1三维模子，采纳ICEMCFD举行六面体网格区分，对壁面边境层网格举行合适加密，全部个节点，网格最小正交品质大于0.65，网格品质优秀。

图4换热管三维模子及网格区分成效

别离对表里管出口设定品质流量边境前提，流向为笔直于表面，出口设定为压力边境；出口温度别离为.6℃和.6℃；为了同HTRI打算成效举行相比，不思索管道的散热损失。

介质物性按梦想气体搀和思索，依照定性温度取响应物性值；管道的导热系数按不锈钢材料取15.1W/m?K。

湍流模子抉择法则k-e模子，壁面函数采纳巩固壁面处置。压力速率耦合采纳SIMPLE算法，压力分散采纳二阶格式，动量和能量分散采纳二阶顶品格式，别的变量采纳一阶顶品格式。能量残差抑制法则为10-6，别的为10-3。

筹划迭代残差弧线以下图，也许看出采纳六面体网格具备相当好的抑制性。

图5筹划残差弧线

换热管内温度散布以下图，也许看出冷热介质举行了充足的换热。冷侧介质收支口温度别离为.6℃和.9℃，出口温度高于打算值；热侧介质收支口温度别离为.6℃和.1℃，出口温度低于打算值。读取换热管的总传热量为.8W，仿真成效高于打算值.5W，裕量为28.4%，与HTRI的打算裕量值相当。

图6温度散布

换热管内速率散布以下图，也许看出内管介质流速显著高于外管。读取内管均匀流速为32m/s，外管均匀流速为4.6m/s，与HTRI筹划成效相当。

图7速率散布

换热管内压力散布以下图，也许看出内管介质压降显著高于外管，趋向与HTRI成效一致。读取内管收支口压降为.8Pa，外管收支口压降为.1Pa，与HTRI筹划成效数值上存在必要不同，但远小于20kPa，对打算成效无影响。

4小结

经过HTRI对调热器举行打算，并对打算的换热管举行CFD仿真摹拟，相比解析讲解打算的换热器能满意换热本领和压降请求。

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