双套管双管板换热器流动及
传热性能数值模拟
摘 要：采用CFD方法，研究双套管双管板换热器传热及流动特性。对隔绝腔连同内外套管的环形间隙内分别充入空气、水、甲苯气体和氩气四种介质进行模拟。结果表明，不同介质对传热有不同影响，充入水时的换热效果最好，甲苯气体的最差；壳程介质在流体接管进、出口附近存在回流和绕流且速度较小，管程介质流动较为均匀，受壁面边界层影响，速度在管中心处较高，在管壁处较低；采用模拟和传统计算方法分得到不同雷诺数Re下的总传热系数，模拟得到的值比用常规设计计算值高15%~30%，因此传统计算公式不能很好解决此类换热器在实际中的应用问题，通过模拟实验等手段优化传统计算方法是今后研究重点。 关键词：双套管双管板换热器；温度场；总传热系数；数值模拟 中图分类号：TK172 文献标识码：A
Numerical Simulation of Flow and Heat Transfer in Double Pipe-Double Tube Sheet
Heat Exchanger
）
Abstract: Heat transfer of double pipe-double tube sheet heat exchanger is studied by CFD method. In the same boundary conditions, simulation of heat transfer when filled four different medias including air, water, toluene gas and argon into isolation chamber and the annular gap between the inside and outside tube each time. Concluded that different medias lead to different heat transfer results, among them water with the biggest thermal conductivity, it result in the best effect of heat transfer, while toluene is the worst. There is return and around flow in both inlet and outlet pipe nozzles of shell side, and the vicinity of the fluid there is low. What’s more the fluid in tube side is well-distributed, because of the wall boundary layer effects, the vicinity in the center is higher while in the wall is lower. Different Reynolds number result in different overall heat transfer coefficients, compared with the theoretical formula results, the simulation results are 15% to 30% more than theoretical formula results, so existing formula can not solve practical problems well, by simulating or experimental optimize formula is very import . Key words: Double pipe-double tube sheet heat exchanger; temperature; overall heat transfer coefficient; numerical simulation
11 前言
换热器在石油石化等过程工业领域应用十分广泛，是不可缺少的工艺设备之一。在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。为了防止管壳程介质因制造工艺或运行条件导致的可能互混，多采用双管板换热器。随着换热设备设计和制造工业的发展，为了满足苛刻工艺条件下换热设备的高效长期安全运行，严格防止管壳程介质的可能
互混，近年来出现了双套管双管板换热器。
例如，在多晶硅的制造工艺过程中无论是在其合成工序还是还原预热、尾气处理过程中，为了防止管程和壳程介质的混合，大量采用了双套管双管板换热器[1]-[5]。
2 结构简介
双套管板换热器与普通的套管换热器相比，其主要结构特点是：双管板之间有一个隔绝腔，该隔绝腔不与管程、壳程相连通，不承受介质压力，但承受设备的机械载荷与
热载荷。图1所示为隔绝腔部分局部放大图，由图可见，内外侧管板之间形成一个隔绝腔，此腔与内外管之间的间隙相通，外部接有压力仪表；在隔绝腔内通入保护介质，内外管将由保护介质隔开，这样无论是内、外管还是内、外管板有破损，管程和壳程的介质都不会互相接触，引起的压力变化由与隔绝腔连接的压力仪表直观的表现出来，进而避免因管程和壳程介质互混引发事故。
3 热力模拟与分析
3.1物理模型
Fluent是目前处于世界领先地位的CFD软件之一，广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。通过Fluent前处理软件Gambit对双管双管板换热器进行建模和网格划分，坐标原点设在管程介质中心管的出口处。换热器的结构比较复杂，受到计算机容量的限制，不能将换热器管内外流速、温度每个细节全部模拟出来。模拟中以七根管子为例简化了换热器在实际工况下各因素的影响，设置了管程、内外管环形间隙和壳程三个流体区域以及内外管两个环形固体区域。换热管以正三角形的方式排布，其尺寸如图2所示。内外套管网格的划分均采用结构化网格，对于较为复杂的壳程流体区域，由于接管的存在，其几何结构不规则，采用非结构网格划分，整个换热器总共划分了约78万个网格，划分结果如图3所示。
图1 隔绝腔部分局部放大图
1-外侧管板；2-隔绝腔；3-内侧管板；4-外管；
5-内外管间隙；6-内管
Fig. 1 Drawing of partial enlargement of isolation chamber 1-outer tube sheet; 2- isolation chamber; 3-inner tube
壳程入口管程出口管程入口壳程出口
图2 换热管的排布及主要相关尺寸
Fig.2 Arrangement and main parameters of the tubes
图3 网格划分结果
Fig.3 Results of meshing
3.2边界条件
采用Fluent软件对双套管双管板换热器进行模拟，在其控制台窗口进行具体参数设置。其中，管程和壳程的流体介质均设为水，两者逆流流动，隔绝腔连同内外套管的环形间隙分别充入空气、水、甲苯气体和氩气四种不同介质，观察不同的介质对换热特性的影响。并作如下简化：(1)管程和壳程的流体都不可压缩，在换热器内都不发生相变，并假定是常物性；(2)传热过程在稳定条件下，冷、热流体之间的传递的热量沿管程方向是常数：(3)忽略内外管的间隙内的动量传递和流动状态的影响：(4)换热器外壁保温效果良好[6]-[7]。
计算模型为管程和壳程流体在充分发展的湍流情况下，本文中管程和壳程流体均采用质量流量入口，流量大小分别为0.72kg/s、0.63 kg/s；压力出口，大小分别为20000Pa、15000Pa（表压），入口温度分别为285K、330 K；内管分别与管程介质和环形间隙流体之间的壁面以及外管分别与壳程的介质和环形间隙流体之间的壁面组成的四对交界面均设为耦合边界；壳程最外侧的圆周壁面采用第三类边界条件，即流体与外界物质对流换热，其他壁面均为第二类边界条件，即设为绝热条件。流场与温度场采用分离式方法求解，对流项离散采用指数格式，压力和速度的耦合采用标准SIMPLE方法，为提高计算精度对动量方程和能量方程采用二阶迎风差分析格式进行离散[8]。设定计算收敛残差分别为：能量：10-6，连续性：10-3，速度：10-3。 3.3数值模拟结果分析
在模拟过程中忽略了重力的影响，每根换热管的换热情况趋于一致。图4 ~ 图7中(a)~(d)依次显示了间隙中分别充入水、空气、甲苯气体和氩气时Z=500mm和Z=1000mm(Z=0mm管程出口）处管程和壳程垂直Z方向截面温度分布云图。
（a）
（b）
（c）
（d）
(a)间隙内充入水 (b) 间隙内充入空气 (c) 间隙内充入甲苯(d) 间隙内充入氩气 图4 Z=0(管程出口处)截面温度场云图
(a) the gap with water (b) the gap with air (c) the gap with
toluene gas (d) the gap with argon
Fig.4 Temperature contours of Z=0(the outlet of tube side)
cross-sections
（a）
（b）
（c）
（d）
(a)间隙内充入水 (b) 间隙内充入空气 (c) 间隙内充入甲苯 (d) 间隙内充入氩气 图5 Z=500mm管程截面温度场云图
(a) the gap with water (b) the gap with air (c) the gap with
toluene gas (d) the gap with argon
Fig.5 Temperature contours of Z=500mm tube side
cross-sections
由以上垂直Z方向不同截面管程的温度云图可知，管程截面温度沿管程逐渐升高；管程温度沿径向温度逐渐升高，并且各个管
程温度呈对称分布，靠近壁面处的温度高，中心温度低，主要原因是由于热边界层的存在；相同Z截面的各个管程温度基本相同。在相同位置Z截面,随着间隙内充入介质不同，管程截面的温度变化较大，介质为水时，截面温度变化最大；介质为甲苯气体时，截面温度变化最小。
(a)
（b）
（c）
（d）
(a)间隙内充入水 (b) 间隙内充入空气 (c) 间隙内充入甲苯 (d) 间隙内充入氩气 图6 Z=500mm壳程截面温度场云图
(a) the gap with water (b) the gap with air (c) the gap with
toluene gas (d) the gap with argon
Fig.6 Temperature contours of Z=500 mm shell side
cross-sections
（a）
（b）
（c）
（d）
(a)间隙内充入水 (b) 间隙内充入空气 (c) 间隙内充入甲苯 (d) 间隙内充入氩气 图7 Z=1000mm壳程截面温度场云图
(a) the gap with water (b) the gap with air (c) the gap with
toluene gas (d) the gap with argon
Fig.7 Temperature contours of Z=1000 mm shell side
cross-sections
由以上不同Z方向截面壳程的温度云图可知，截面温度沿壳程逐渐降低；壳程温度沿径向温度逐渐降低，并且各个壳程程温度基本呈对称分布；相同Z截面的各个壳程温度基本相同，在相同位置Z截面,随着间隙内充入介质不同，壳程截面的温度变化较大，介质为水时，截面温度变化最大；介质为甲苯气体时，截面温度变化最小；在Z=1000mm（出口处）由于存在接管问题，壳程流体存在绕流及回流原因，靠近接管出的温度较低些。
图8、图9中的曲线图分别比较了在相同边界条件下，隔绝腔连同内外套管的环形间隙分别充入空气、水、甲苯气体和氩气四种不同的介质时，换热器管程和壳程流体温度随轴向长度变化情况。从图中数据所得曲线可见，壳程介质在轴向Z=40mm和960mm处附近因为连有接管、造成部分绕流和回流使得温度急剧变化，其余各段管程和壳程介质温度随轴向长度基本呈线性变化。其中，中间介质充入水时折线斜率最大，温度差最大，说明其温度变化的大，换热效果好，相应的中间介质充入甲苯气体时，换热效果最差。
289.0288.5288.0K287.5/度287.0水温286.5空气程286.0氩气管285.5甲苯气体285.0284.5284.001002003004005006007008009001000轴向长度Z/mm 图8管程流体温度随轴向长度变化情况
Fig.8 Changes of the temperature with the axial length change in
tube side
331330329K/度328水温空气程327氩气壳326甲苯气体32532432301002003004005006007008009001000轴向长度Z/mm
图9 壳程流体温度随轴向长度变化情况
Fig.9 Changes of the temperature with the axial length change in
shell side
模拟结果统计的温度场云图和折线图所得的结果都说明充入水时换热效果最好，充入甲苯气体时最差，这与表1中计算得到的导热热阻的大小相对应。说明，在管侧和壳侧换热相同的情况下，中间介质的导热性能会明显影响整体换热器换热系数的高低，对于相同工况要求的换热器而言，将直接关系到换热面积的多少，从而影响到成本。
为了更好的了解换热器流体流动状况对传热的影响，对换热器管程和壳程流体流场研究也是有必要的。图10中展示了Y=0截面管程速度矢量图和速度云图，由图可知
管内流体在流动的过程中，在充分流动阶
段，流体基本匀速流动；由于存在边界层原因，中心流速最大，靠近壁面处流体速度小，流体没有产生涡流和扰动，流体流动连续通畅、稳定。图11显示壳程轴向长度及进出口接管位置处速度矢量图，由图可知，在流体进口附近，流体存在回流且速度较小，接管出口流体速度较大对管程存在冲刷。在接管出口处流体存在回流和绕流；在接管进口和出口，壳程流体湍动能比较大，温度场变化比较大。对比速度场和温度场可以看出两者是相互影响的，流体流动速度的变化，改变了流体的湍动，进而改变对流传热，使温度场随之变化。
(a)
(b)
(a)矢量图 (b) 云图 图10 Y=0截面管程流体速度图
(a) vectors (b) contours
Fig.10 Picture about velocity in the cross-sections Y=0 of tube side