套管换热器设计计算与CFD仿真

    今天我们用换热器专业设计软件HTRI设计一个套管换热器，并用FLUENT进行模拟。

    某套管换热器利用高温尾气将空气由117.6℃加热至350℃，尾气温度将由620.6℃降为511.2℃。

    热侧流体组分组成：N2：0.118kmol/h、CO2：0.011kmol/h、H2O：0.052kmol/h、O2：0.01kmol/h；冷侧流体为压缩空气。

    冷侧进出口温度为117.6℃和350℃，热侧进出口温度为620.6℃和511.2℃。

    冷侧进口压力为2.579bar.a，允许压降20kPa，热侧进口压力1.395bar.a，允许压降20kPa。

    冷侧流体质量流量为3.029kg/h，热侧流体质量流量为5.044kg/h。

    冷侧进出口气相组分均为1，热侧进出口气相组分均为1。

    从传热角度出发，为减少热损失，换热器内管走热流体，外管走冷流体，流体走向为逆流。

    换热器冷热侧共计6个工艺参数，不采用冗余输入，因此相对不重要的热侧出口温度不作为输入条件。

    换热器的工艺物料主要成分均为空气，参考《化工工艺设计手册》，冷侧污垢系数取0.000344m2•K/W，热侧污垢系数取0.000344m2•K/W。

图1 工艺条件输入

    初选换热器尺寸进行试算：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，水平放置。换热管横截面尺寸如下图所示。

图2 换热管横截面

    根据以上输入条件，换热器计算结果如下。换热器总传热系数为27.04W/m2•K，传热面积0.02m2，传热量为205.4W，平均温差327.3℃，设计裕量26.5%。介质流动压降分别为冷侧0.217kPa，热侧0.324kPa，远小于允许值。从热阻分配来看，主要的热阻位于内管侧，约占比68.54%，可考虑在内管增加强化传热措施，进一步减小换热管长度，比如增加内插件—扭曲带，但由于流速已达31.4m/s，强化传热的同时也会增加一定流动压损。

图3 初选换热器计算结果

    根据以上设计的换热管尺寸建立1:1三维模型，采用ICEM CFD进行六面体网格划分，对壁面边界层网格进行适当加密，共计867860个节点，网格最小正交质量大于0.65，网格质量良好。

图4 换热管三维模型及网格划分结果

    分别对内外管入口设定质量流量边界条件，流向为垂直于表面，出口设定为压力边界；入口温度分别为117.6℃和620.6℃；为了同HTRI设计结果进行对比，不考虑管道的散热损失。

    介质物性按理想气体混合考虑，根据定性温度取相应物性值；管道的导热系数按不锈钢材料取15.1W/m•K。

    湍流模型选择标准k-e模型，壁面函数采用加强壁面处理。压力速度耦合采用SIMPLE算法，压力离散采用二阶格式，动量和能量离散采用二阶迎风格式，其余变量采用一阶迎风格式。能量残差收敛准则为10-6，其余为10-3。

计算迭代残差曲线如下图，可以看出采用六面体网格具有相当好的收敛性。

图5 计算残差曲线

    换热管内温度分布如下图，可以看出冷热介质进行了充分的换热。冷侧介质进出口温度分别为117.6℃和415.9℃，出口温度高于设计值；热侧介质进出口温度分别为620.6℃和478.1℃，出口温度低于设计值。读取换热管的总传热量为263.8W，仿真结果高于设计值205.5W，裕量为28.4%，与HTRI的设计裕量值相当。

图6 温度分布

    换热管内速度分布如下图，可以看出内管介质流速显著高于外管。读取内管平均流速为32m/s，外管平均流速为4.6m/s，与HTRI计算结果相当。

图7 速度分布

    换热管内压力分布如下图，可以看出内管介质压降显著高于外管，趋势与HTRI结果一致。读取内管进出口压降为619.8Pa，外管进出口压降为188.1Pa，与HTRI计算结果数值上存在一定差异，但远小于20kPa，对设计结果无影响。

    通过HTRI对换热器进行设计，并对设计的换热管进行CFD仿真模拟，对比分析说明设计的换热器能满足换热能力和压降要求。