Comsol换热器设计

 关键词 

换热器（亦称为热交换器或热交换设备）是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对流传热及热传导的一种工业应用。

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1.1 换热器发展

      换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备，化工，石油等近30多种产业，相互形成产业链条。数据显示2010年中国换热器产业市场规模在500亿元左右，主要集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。其中，石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场，其市场规模为150亿元；电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右；船舶工业换热器市场规模在40亿元以上；机械工业换热器市场规模约为40亿元；集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元，食品工业也有近30亿元的市场。另外，航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电、多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器，这些市场约有130亿元的规模。国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长，2011年至2020年期间，我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长，到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。

图1. 大型管壳式换热器

1.2换热器分类

      （1）表面式换热器：这种换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面的对流，在两种流体之间进行换热；

      （2）蓄热式换热器：这种换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体再传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定的温度后，冷介质再通过固体物质然后被加热，达到热量传递的目的；

      （3）管壳式换热器：这种换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器；

      （4）夹套式换热器：这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单；但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高；

      （5）喷淋式换热器：这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器;

      （6）板式换热器：主要应用于液体-液体之间的换热，行业内常称为水水换热，其换热效率较高;

      （7）沉浸式蛇管换热器：这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体中。

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温度场边界条件：（1）上方入口和管道左侧入口设为流动入口温度边界；（2）下方出口和管道右侧出口均设为流动出口边界；（3）其余边界设热绝缘边界；（4）换热器温度初始值293.15K。

      流场边界条件：（1）上方入口和管道左侧入口设为流动入口速度边界；（2）下方出口和管道右侧出口均设为流动出口压力边界；（3）其余边界设无滑移壁条件；（4）换热器内部流体初始速度和压力均为0。

      多物理场耦合条件：非等温流动。

图4. 物理场边界条件

根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用三角形非结构化网格和边界层网格对换热器模型进行划分，具体网格分布如图5所示。

图5. 计算网格

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换热器计算模型采用稳态全耦合求解器进行求解，通过计算得到换热器内部温度场和流体场分布如下所示。

图6. 温度场分布

图7. 速度分布

图8. 压力分布