CN116227060A - 一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法，涉及到工业中的换热器的结构优化设计方法技术领域。解决现有换热器的设计过程中，因不合理的实验方案，耗费大量的人力物力的技术问题，包括(1)建立换热管束充液状态流体域计算模型；(2)导入到ANSYS软件中；(3)进行网格划分；(4)设置传热模型与湍流模型；(5)假设：①周围空气温度保持稳定；②假设换热管热量全部传递至流体；③不考虑热量传递过程中的热辐射；(6)在计算模块进行仿真运算得到温度、速度、压力分布特性，管束表面导热系数；(7)设计正交试验因素水平表；提取步骤(6)的换热器内温度、速度、压力、管束表面导热系数特性，分析对换热器性能的影响，进行优化设计。

Description

一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法
技术领域
本发明涉及到工业中的换热器的结构优化设计方法技术领域。
背景技术
换热器是一种十分重要的热量交换设备，它是一种在不同温度的多种介质之间实现热量传递的节能设备，它可以用低温介质冷却高温介质从而达到降温、预冷的效果，也可以用高温介质加热低温介质，使其温度达到加工工艺的规定标准从而满足生产的需要。为了使换热设备在单位传热面积上能够传递的热量尽可能多，主要采用强化传热的方法提高其现有的传热能力，增加传热量，使换热器在不增加其他大型设备投入的时也能够很好的完成额定传热；尽可能的缩小换热设备的体积，减少传热面面积，从而达到节省材料；减少换热过程中功率的消耗，尽量控制高温元件处的温度，这样可以避免热量浪费并且能够保持换热器稳定长期安全的运行。为提高管壳式换热器的换热效率，通过对单弓形折流板的缺口高度h、折流板数量n和折流板开孔孔径d进行正交试验研究，以期得到折流板对换热器性能的影响规律
在工业应用和科学研究中，要达到提高产品质量、增加产量、降低能耗等目的，需要探索研究对象的变化规律和主要影响因素，而要达到这一目的，需要通过实验来完成，但是不合理的实验方案，会耗费大量的人力物力。只有厘清研究对象的主要影响因素，对实验进行合理的设计和处理就显得尤为重要，在准确的数据基础上，得出正确可靠的实验结论，并进一步指导科学生产。
正交试验设计的基本理论就是从全面试验中挑出一部分代表性的组合方案进行试验，这些挑出来的试验点具有“均衡分散”和“整齐可比”的特点。在进行试验的过程中，所研究的对象是非常复杂的，而且其影响因素之间相互联系，不可能把试验的所有因素所有水平都考虑进去，在设计试验方案时，选出一些影响较为显著的因素，并设置合理水平来解决。这样通过较少的试验次数，就能找出最优组合，遇到多因素影响问题时，应用最为广泛的就是正交试验。
发明内容
综上所述，本发明的目的在于解决现有换热器的设计过程中，因不合理的实验方案，耗费大量的人力物力的技术问题，而提出一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法。
为解决本发明所提出技术问题，采用技术方案为：
一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法，其特征在于所述管壳式换热器结构优化分析方法包括有如下步骤：
(1)对工程使用中的换热器模型进行简化，借助三维建模软件对管壳式换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作，对流体计算域在相同坐标空间中进行几何建模，建立换热管束充液状态流体域计算模型，将流体计算域模型导出并保存为.x_t格式文件；
(2)将步骤(1)中导出的.x_t格式文件导入到ANSYS软件中，在Geometry项中定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称；
(3)将步骤(2)建立的流体计算域模型传递到网格划分的Mesh模块中，在Mesh模块中对三维仿真模型进行网格划分，采用Sweep方法对换热管束进行结构网格划分，对靠近管束壁面处进行网格加密，同时保证整体结构的网格质量大于0.4；
(4)将步骤(3)中网格划分好的三维仿真模型传递到计算模块，在计算模块中Domain选项中设置传热模型与湍流模型，计算介质Material设定为导热油，在BoundaryDetails选项中设置进口速度值，出口压力值，以及壁面条件；
(5)计算时，对传热模型作如下基本假设：①周围空气温度保持稳定，空气与管壳初始温度定义为室温22℃；②假设换热管热量全部传递至流体，不考虑其中热传递效率损失部分；③不考虑热量传递过程中的热辐射；
(6)在计算模块进行仿真运算得到温度、速度、压力分布特性，管束表面导热系数；
(7)选定折流板缺口高度、折流板间距和折流板开孔孔径3个因素，每个因素都考虑3个水平，设计正交试验因素水平表；计算结束后在POST模块中提取步骤(6)的换热器内温度、速度、压力、管束表面导热系数特性，作为换热器生产过程中关键性能的控制，分析上述参数对换热器性能的影响，对结构进行优化设计。
作为对本发明技术方案作进一步限定的技术特征，包括有：
步骤(1)中三维建模软件对换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作时设定的参数包括：壳程、换热管及折流板的几何形状和几何尺寸参数。
步骤(4)中，对计算模块进行设置的过程如下：
(4.1)、在Material选项根据导热油物理参数编制新材料特性，设置的参数包括：密度、摩尔质量、比热容、导热系数及动力粘度；
(4.2)、在Buoyancy选项中，将y方向Gravity Y Dirn根据要求设定为预设值9.81m2/s，X和Z方向设置为0m2/s，Analysis type选项设置为Steady稳态计算；
(4.3)、将Fluid Models选项中的Heat Transfer设置为Thermal Energy，Turbulence选项中选取k-epsilon模型；
(4.4)、在Material Library选项部分选择新建立的材料导热油；
(4.5)、在Boundary选项中设置入口边界条件为Normal Speed，设置出口边界条件为Static Pressure，管程与壳程壁面设置为对流换热面，对流换热系数根据实际计算值设置，其他壁面设置为绝热光滑壁面；
(4.6)、选择Define Run后进行计算。
步骤(4)中，选择换热器内三维仿真模型的中心点作为检测点，检测面为过中心点的X方向平面。
步骤(6)中所述仿真运算结果包括：检测面的温度云图，检测面的压力云图，检测面的速度云图，换热管束壁面换热系数云图，换热器外壳壁面换热系数云图。
本发明的有益效果为：本发明利用采用正交试验的方法，研究了不同折流板结构参数作用对管壳式换热器传热特性的影响，对于换热结构优化设计具有一定的通用性，对提高管壳式换热器传热特性和优化结构设计提供一定的依据，并为相关标准的修订以及换热器的安全设计提供参考。
附图说明
图1为本发明的换热器含壳体时的有限元几何模型图。
图2为本发明的换热器无壳体时有限元几何模型图。
图3为本发明的换热器模型网格划分后的状态图。
图4为本发明的换热器温度分布图。
图5为本发明的换热器压力分布图。
图6为本发明的换热器速度分布图。
图7换热管束壁面换热系数云图。
图8换热器外壳壁面换热系数云图。
具体实施方式
以下结合附图和本发明优选的具体实施对本发明的结构作进一步地说明。
本发明公开的一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法，包括有如下步骤：
(1)对工程使用中的换热器模型进行简化，借助三维建模软件对管壳式换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作，得到如图1和图2中所示的有限元几何模型图，对流体计算域在相同坐标空间中进行几何建模，建立换热管束充液状态流体域计算模型，将流体计算域模型导出并保存为.x_t格式文件；三维建模软件对换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作时设定的参数包括：壳程、换热管及折流板的几何形状和几何尺寸参数。
(2)将步骤(1)中导出的.x_t格式文件导入到计算软件中，在Geometry项中定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称。
(3)如图3中所示，将步骤(2)建立的流体计算域模型传递到网格划分的Mesh模块中，在Mesh模块中对三维仿真模型进行网格划分，为了保证流场计算结果的准确性，采用Sweep方法对换热管束进行结构网格划分，对靠近管束壁面处进行网格加密，同时保证整体结构的网格质量大于0.4。
(4)将步骤(3)中网格划分好的三维仿真模型传递到计算模块，在计算模块中Domain选项中设置传热模型与湍流模型，计算介质Material设定为导热油，在BoundaryDetails选项中设置进口速度值，出口压力值，以及壁面条件；在计算模块进行设置的过程如下：
(4.1)、在Material选项根据导热油物理参数编制新材料特性，设置的参数包括：密度、摩尔质量、比热容、导热系数及动力粘度；
(4.2)、在Buoyancy选项中，将y方向Gravity Y Dirn根据要求设定为预设值9.81m2/s，X和Z方向设置为0m2/s，Analysis type选项设置为Steady稳态计算；
(4.3)、将Fluid Models选项中的Heat Transfer设置为Thermal Energy，Turbulence选项中选取k-epsilon模型；
(4.4)、在Material Library选项部分选择新建立的材料导热油；
(4.5)、在Boundary选项中设置入口边界条件为Normal Speed，设置出口边界条件为Static Pressure，管程与壳程壁面设置为对流换热面，对流换热系数根据实际计算值设置，其他壁面设置为绝热光滑壁面；
(4.6)、选择Define Run后进行计算。
选择换热器内三维仿真模型的中心点作为检测点，检测面为过中心点的X方向平面。
(5)计算时，对传热模型作如下基本假设：①周围空气温度保持稳定，空气与管壳初始温度定义为室温22℃；②假设换热管热量全部传递至流体，不考虑其中热传递效率损失部分；③不考虑热量传递过程中的热辐射。
(6)在计算模块进行仿真运算得到温度、速度分布特性，管束、壳体表面导热系数；所述仿真运算结果包括：如图4中所示的检测面的温度云图，如图5中所示的检测面的压力云图，如图6中所示的检测面的速度云图，如图7中所示的换热管束壁面换热系数云图，图8换热器外壳壁面换热系数云图。
分析结果表明，换热器壳程折流板间距、孔直径以及缺口高度变化对壳程流体流动与传热有明显的影响。
(7)选定折流板缺口高度、折流板间距和折流板开孔孔径3个因素，每个因素都考虑3个水平，设计正交试验因素水平表，具体见表1；
表1正交试验方案
Figure BDA0004048697480000051
计算结束后在POST模块中提取步骤(6)的换热器内温度、速度、压力、管束表面导热系数特性，作为换热器生产过程中关键性能的控制，分析上述参数对换热器性能的影响，对结构进行优化设计。
本发明利用采用正交试验的方法，研究了不同折流板结构参数作用对管壳式换热器传热特性的影响。本发明对于换热结构优化计算具有一定的通用性，对提高管壳式换热器传热特性和优化结构设计提供一定的依据。
本发明所述的实施案例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法，其特征在于所述管壳式换热器结构优化分析方法包括有如下步骤：
(1)对工程使用中的换热器模型进行简化，借助三维建模软件对管壳式换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作，对流体计算域在相同坐标空间中进行几何建模，建立换热管束充液状态流体域计算模型，将流体计算域模型导出并保存为.x_t格式文件；
(2)将步骤(1)中导出的.x_t格式文件导入到计算软件中，在Geometry项中定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称；
(3)将步骤(2)建立的流体计算域模型传递到网格划分的Mesh模块中，在Mesh模块中对三维仿真模型进行网格划分，采用Sweep方法对换热管束进行结构网格划分，对靠近管束壁面处进行网格加密，同时保证整体结构的网格质量大于0.4；
(4)将步骤(3)中网格划分好的三维仿真模型传递到计算模块，在计算模块中Domain选项中设置传热模型与湍流模型，计算介质Material设定为导热油，在Boundary Details选项中设置进口速度值，出口压力值，以及壁面条件；
(5)计算时，对传热模型作如下基本假设：①周围空气温度保持稳定，空气与管壳初始温度定义为室温22℃；②假设换热管热量全部传递至流体，不考虑其中热传递效率损失部分；③不考虑热量传递过程中的热辐射；
(6)在计算模块进行仿真运算得到温度、速度分布特性，管束表面导热系数；
(7)选定折流板缺口高度、折流板间距和折流板开孔孔径3个因素，每个因素都考虑3个水平，设计正交试验因素水平表；计算结束后在POST模块中提取步骤(6)的换热器内温度、速度、压力、管束表面导热系数特性，作为换热器设计生产过程中关键性能的控制，分析上述参数对换热器性能的影响，对结构进行优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法，其特征在于：步骤(1)中三维建模软件对换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作时设定的参数包括：壳程、换热管及折流板的几何形状和几何尺寸参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法，其特征在于：步骤(4)中，在计算模块进行设置的过程如下：
(4.1)、在Material选项根据导热油物理参数编制新材料特性，设置的参数包括：密度、摩尔质量、比热容、导热系数及动力粘度；
(4.2)、在Buoyancy选项中，将y方向Gravity Y Dirn根据要求设定为预设值9.81m2/s，X和Z方向设置为0m2/s，Analysis type选项设置为Steady稳态计算；
(4.3)、将Fluid Models选项中的Heat Transfer设置为Thermal Energy，Turbulence选项中选取k-epsilon模型；
(4.4)、在Material Library选项部分选择新建立的材料导热油；
(4.5)、在Boundary选项中设置入口边界条件为Normal Speed，设置出口边界条件为Static Pressure，管程与壳程壁面设置为对流换热面，对流换热系数根据实际计算值设置，其他壁面设置为绝热光滑壁面；
(4.6)、选择Define Run后进行计算。
4.根据权利要求1所述的一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法，其特征在于：步骤(6)中，步骤(4)中，选择换热器内三维仿真模型的中心点作为检测点，检测面为过中心点的X方向平面。
5.根据权利要求1所述的一种基于正交试验的管壳式换热器结构优化分析方法，其特征在于：步骤(6)中所述仿真运算结果包括：检测面的温度云图，检测面的压力云图，检测面的速度云图，换热管壁面换热系数云图，换热器外壳壁面换热系数云图。
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