吳輝 王子繁

摘 要：針對冷卻器普遍具有的密封性差、壓力受限、不耐高溫以及易堵塞等缺點，進(jìn)行乙醇冷卻器的設(shè)計及優(yōu)化分析。在本次設(shè)計中，首先，根據(jù)設(shè)計要求計算并確定冷卻器的各項數(shù)據(jù);其次，根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計冷卻器，使冷卻器更符合使用要求與規(guī)范，方便應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn);再次，根據(jù)已經(jīng)設(shè)計好的冷卻器在Gambit軟件中建模，將幾何模型導(dǎo)入Fluent軟件中施加邊界條件;最后，對所設(shè)計的乙醇冷卻器進(jìn)行CFD建模，在ANSYS軟件中得到溫度、速度和壓力的分布結(jié)果，并進(jìn)行優(yōu)化分析。

關(guān)鍵詞：乙醇;冷卻器;CFD

乙醇作為一種可再生液體燃料，在提高汽油辛烷值、增加汽油含氧量、減少汽車尾氣中有害物質(zhì)的排放方面有明顯的優(yōu)勢，現(xiàn)已成為全球消費量最大的生物燃料，擁有巨大的市場潛力[1]。

冷卻器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的冷卻設(shè)備，隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨緊張，世界各國已高度重視石油化工深度加工和能源的綜合利用，冷卻器的設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)[2-3]。

1?幾何建模及網(wǎng)格劃分

本設(shè)計選用列管式冷卻器，熱流體選擇乙醇溶液，冷流體為水。冷卻器中的冷卻水走管程，熱流體出口溫度為? ? ? ?40 ℃、進(jìn)口溫度為65 ℃，冷流體出口溫度為30 ℃、進(jìn)口溫度為25 ℃，冷熱流體工作表壓均為0.1 MPa。流速對整個管熱過程影響較大，增大流速可以增大對流給熱系數(shù)，降低管道的污垢熱阻，增大總傳熱系數(shù)，減小傳熱面積;但流速過大會增加流體的阻力，所以本次設(shè)計中流速均較小?？紤]到壓力要求不高、冷卻水易結(jié)垢及冷卻水流速，本次設(shè)計選用25.0 mm×2.5 mm規(guī)格的管子。打開Gambit，建立冷卻器的幾何模型，選擇網(wǎng)格劃分命令，然后點擊體網(wǎng)格劃分按鈕，選中需要劃分的體，在下方選擇以Tet/Hybrid圖形的形式劃分體網(wǎng)格，勾選Interval Count，在前方輸入需要劃分的份數(shù)（體網(wǎng)格劃分得越細(xì)，運算的結(jié)果越精確，同時運算量越大，運算的時間也越長），點擊Apple等待體網(wǎng)格劃分完成。

2 CFD優(yōu)化分析

2.1? 條件施加

設(shè)置Z軸方向重力加速度為﹣9.81 m/s2。

完成上述步驟后，激活能量方程及湍流方程。右鍵選擇模型樹節(jié)點Models Energy，出現(xiàn)能量方程的對話框，選擇右鍵菜單項On，能量方程就設(shè)置成功了（當(dāng)有傳熱過程，或者有能量添加如化學(xué)反應(yīng)，再或者考慮黏性或摩擦生熱等能量耗散過程時，必須激活能量方程;如果只考慮能量流而不考慮溫度或者能量，就不需要激活）。

由于本次設(shè)計的流體為湍流，需要建立湍流模型。雙擊模型樹節(jié)點Models Viscous，彈出湍流模型選擇對話框，選擇Realizable K-epsilon（2 equ）湍流模型及Scalable Wall Functions壁面函數(shù)，點擊OK按鈕關(guān)閉對話框。

雙擊模型樹節(jié)點Materials，定義材料。點擊右側(cè)面板按鈕Create/Edit，彈出材料定義對話框，選擇材料乙醇，點擊Copy按鈕添加材料乙醇。

再次雙擊模型樹節(jié)點Materials，點擊右側(cè)面板按鈕Create/Edit，彈出材料定義對話框，先選擇Solid改變形態(tài)，再選擇材料不銹鋼，點擊Copy按鈕添加材料。

2.2? 計算結(jié)果分析

在Fluent軟件中，如果要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場分析，就只能對流體的區(qū)域進(jìn)行分析，所以只需激活包含冷卻器管內(nèi)流體區(qū)域的部件。由于Fluent智能區(qū)分流體邊界的強大功能，把沒有施加流體載荷的部分全部當(dāng)作固體邊界，在設(shè)置邊界條件時，只需要設(shè)置流體的物性參數(shù)以及進(jìn)出口邊界。因為管內(nèi)流動介質(zhì)為乙醇，F(xiàn)luent軟件自帶的材料庫中沒有該介質(zhì)，所以需要設(shè)置乙醇的密度為760.854 3 kg/m3，運動黏度為0.000 660 373 m2/s，比熱容是2.242 8，導(dǎo)熱系數(shù)為0.158 5，進(jìn)口邊界條件為沿Y軸方向的穩(wěn)定流速為4 m/s，出口邊界設(shè)置成指定出口和入口邊界。因為是在理想化的條件下分析，所以認(rèn)為管道是光滑的。

受換熱管影響，管內(nèi)流體的三維流場分布較為復(fù)雜，本研究在不知道換熱管流體分布的情況下，對換熱管管程流體分布情況進(jìn)行簡化分析，包括在沒有換熱管作用下的換熱管管程流場分布、速度分布、壓力分布情況。

2.2.1? 迭代曲線

迭代曲線如圖1所示。由圖1可知，在迭代完成之后，每一條曲線都有波動，但是能源曲線波動較大。可以看出，當(dāng)流體進(jìn)入管道時，能源曲線出現(xiàn)過一次波動，隨著流體的流動，能源曲線快速下降，當(dāng)達(dá)到最低值之后，波動回升，然后處在一個水平上上下變化;而epsilon曲線雖然前期沒有太大變化，但是變化的絕對值較大，波動很明顯。

2.2.2? 速度分布

速度分布如圖2所示。由圖2可知，除了管道進(jìn)出口有細(xì)微變化，換熱管內(nèi)流體速度分布很均勻，沒有較大的變化，但是在管道彎曲處會出現(xiàn)較大變化，是因為彎管處管內(nèi)流體受到的阻力較大，但可以看出管內(nèi)流體流速還是較為均勻的;由于殼內(nèi)流體進(jìn)出口的影響，當(dāng)熱流進(jìn)口時，管道流速變化明顯;當(dāng)熱流出口時，殼體內(nèi)部發(fā)生速度變化。由此可知，流體流速受阻力的影響較大。

2.2.3? 壓強分布

壓強分布如圖3所示。由圖3可知，管道進(jìn)出口的位置受到的壓強較大，使管道流場發(fā)生了變化。在出口位置，壓強比較小，使管道流場較為平和;流體經(jīng)過管道中間部位，壓強變化較為復(fù)雜，壓力也造成了管道的輕微形變;在流體進(jìn)口部分，可能是因為流體進(jìn)口溫度以及壓力的影響，流體對管道造成了壓力。造成這種變化的原因可能是：在管道進(jìn)出口部分，因為管道接口問題，流體在進(jìn)出管道時受到阻力，造成兩端管口受到的壓強較大;又由于流體進(jìn)入管道后，流速較快，造成管道前部分壓力較大，隨著流體的流動，壓力逐漸變小。因此，流體在進(jìn)入管道時，受到流體壓力影響最大的部位是管口。

2.2.4? 溫度分布

溫度分布如圖4所示。由圖4可知，流體進(jìn)入管道以及從換熱管出去時，溫度沒有太大變化。管道內(nèi)流體為冷流，殼體內(nèi)部流體為熱流，在冷流與熱流相交的壁面，溫度發(fā)生了變化。由此可知，管壁受到流體溫度的影響很大。

2.2.5? 渦流黏度分布

渦流黏度變化最大的區(qū)域有兩處，第一處是管道彎曲處，第二處是熱流出口處。發(fā)生一處變化可能是因為管道彎曲處壓強較大、流速較大，所以渦流黏度較大;同理，熱流出口處渦流黏度較大。由此可知，渦流黏度受到壓強和流速的影響較大。

2.2.6? 湍流渦耗散分布

冷流體進(jìn)入換熱管后，在沒遇到阻力且湍動能較為平和的狀態(tài)下，隨著管道的彎曲，湍流渦耗散也一起變化。在流體進(jìn)口部分，湍流渦耗散也會受到影響，通過耗散可以監(jiān)測換熱管內(nèi)的流體運動，檢測冷卻器的性能。

3 結(jié)論

針對25 t/s乙醇冷卻器，展開以下工作并獲得相應(yīng)結(jié)論：

（1）使用ICEM對冷卻器進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分，完成所有的前處理。

（2）前處理完成后，把模型導(dǎo)入Fluent模塊中完成后處理，導(dǎo)出分析結(jié)果圖。由分析結(jié)果圖可知，流速和溫度對冷卻器的影響很大，也是造成冷卻器腐蝕的重要原因。因此，在設(shè)計冷卻器時，應(yīng)該重點考慮流體速度和溫度的影響。

（3）流體在管道中消耗較大，阻力太大不利于冷卻器的穩(wěn)定運作，壓力還是受到很大限制，不耐高溫等。所以，后期冷卻器設(shè)計還應(yīng)該在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬湘蓉，閆亞嶺，胡申華.正壓下酒精水混合蒸汽在板式冷卻器凝結(jié)時的壓降研究[J].熱能動力工程，2019，34（4）：104-110.

[2]李鴻志.甲醇溶液冷卻器的設(shè)計計算[J].江西化工，2019（4）：57-59.

[3]孟祥廷，閆偉，王桂華，等.基于CFD的油冷器流動和換熱性能[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2019，36（2）：80-84.