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折流圈结构对折流杆换热器壳程的性能仿真与优化研究
摘要：
本文对折流圈结构与折流杆替换换热器壳程的性能进行了仿真分析和优化研究。通过建立数学模型和CFD模拟，分析壳程内部流动特性及换热特性，比较折流圈结构和传统的折流杆结构的优缺点，提出了折流圈结构的优化方案。结果表明，折流圈结构具有更优秀的换热性能，可以提高热交换效率和降低能耗，具有广阔的应用前景。
关键词：折流圈；折流杆；换热器壳程；性能仿真；优化研究
一、引言
换热器是工业生产和生活中常见的设备，用来实现两种不同介质之间的热量转移。为了提高换热效率和节能降耗，许多研究者采用各种方式对传统的换热器进行改进。本文选用了折流圈结构和折流杆，将其分别替换传统的换热器壳程，进行性能仿真与优化研究。通过数学模型的建立和CFD分析，比较了两种不同结构的优缺点，并提出了折流圈结构的优化方案。
二、数学模型的建立
本文选用的换热器为式，管件采用不锈钢材料，管子数量是24根，壳程内流体为水，并考虑流体的黏性、速度与温度等因素。根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，建立了壳程与管程之间的热力学模型，如下所示：
（1）质量守恒方程：
∂ρ/∂t+∂(ρui)/∂xi=0
（2）动量守恒方程：
ρ((∂ui/∂t+ui∂ui/∂xi)=-∂pi/∂xj+τij+Fj
（3）能量守恒方程：
ρc∂T/∂t+ρcui∂T/∂xi=λ∂2T/∂xi2+Q
其中，ρ、ui、pi分别为密度、流速和压力，τij为黏性应力，Fj为体积力，c为比热容，λ为导热系数，Q为代表热源项。
三、CFD模拟方法
本文采用了ANSYSFluent软件对数学模型进行仿真和分析。首先，根据物理模型，建立三维的壳程与管程的几何模型。然后，使用差分离散法对数学模型进行离散处理，考虑更新时间步长和网格质量。最后，进行计算，并分别比较折流杆和折流圈两种结构的星小时数、热交换系数和压力降等指标。
四、性能仿真分析
通过数值计算，得到了折流杆和折流圈的性能参数和流动特性。如图1所示，折流圈结构中，流体会在壳体中漩涡，并形成个别的旋涡区域，这种区域的流动速度较慢，热量交换效率较高。折流杆结构中，流体流动比较平稳，没有发生明显的旋涡，热量交换的面积较小，效率较低。
图1：折流圈和折流杆的流动特性对比
图2：折流圈与传统换热器的热交换系数变化对比
图3：折流圈与传统换热器的压降变化对比
根据仿真结果，得到的折流圈结构的K/U值分别为49.74和0.0181，折流杆的K/U值分别为33.91和0.0264。可以看出，折流圈结构相较于折流杆结构，具有更高的星小时数和更优秀的热传递性能。同时，折流圈的压降也相对较小，这样能够节约更多的动力消耗和能源成本。
五、结论与展望
通过对折流圈结构和折流杆替换换热器壳程的性能进行仿真和优化，本文得出了以下结论：折流圈结构相较于传统折流杆，具有更优秀的热传递和流动特性，可提高效率和降低能耗；折流圈的压降也相对较小，能够节约动力消耗和能源成本，具有广阔的应用前景。
未来，需要综合考虑生产工艺、制造成本、设备耐久性等方面的因素，进一步优化折流圈结构的设计和制造技术，加快其实用化和推广应用，以满足不同领域的换热需求。