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摘 要：针对冷却器普遍具有的密封性差、压力受限、不耐高温以及易堵塞等缺点，进行乙醇冷却器的设计及优化分析。在本次设计中，首先，根据设计要求计算并确定冷却器的各项数据;其次，根据计算结果设计冷却器，使冷却器更符合使用要求与规范，方便应用于工业生产;再次，根据已经设计好的冷却器在Gambit软件中建模，将几何模型导入Fluent软件中施加边界条件;最后，对所设计的乙醇冷却器进行CFD建模，在ANSYS软件中得到温度、速度和压力的分布结果，并进行优化分析。
关键词：乙醇;冷却器;CFD
乙醇作为一种可再生液体燃料，在提高汽油辛烷值、增加汽油含氧量、减少汽车尾气中有害物质的排放方面有明显的优势，现已成为全球消费量最大的生物燃料，拥有巨大的市场潜力[1]。
冷却器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的冷却设备，随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋紧张，世界各国已高度重视石油化工深度加工和能源的综合利用，冷却器的设计面临新的挑战[2-3]。
1 几何建模及网格划分
本设计选用列管式冷却器，热流体选择乙醇溶液，冷流体为水。冷却器中的冷却水走管程，热流体出口温度为 40 ℃、进口温度为65 ℃，冷流体出口温度为30 ℃、进口温度为25 ℃，冷热流体工作表压均为0.1 MPa。流速对整个管热过程影响较大，增大流速可以增大对流给热系数，降低管道的污垢热阻，增大总传热系数，减小传热面积;但流速过大会增加流体的阻力，所以本次设计中流速均较小。考虑到压力要求不高、冷却水易结垢及冷却水流速，本次设计选用25.0 mm×2.5 mm规格的管子。打开Gambit，建立冷却器的几何模型，选择网格划分命令，然后点击体网格划分按钮，选中需要划分的体，在下方选择以Tet/Hybrid图形的形式划分体网格，勾选Interval Count，在前方输入需要划分的份数（体网格划分得越细，运算的结果越精确，同时运算量越大，运算的时间也越长），点击Apple等待体网格划分完成。
2 CFD优化分析
2.1 条件施加
设置Z轴方向重力加速度为﹣9.81 m/s2。
完成上述步驟后，激活能量方程及湍流方程。右键选择模型树节点Models Energy，出现能量方程的对话框，选择右键菜单项On，能量方程就设置成功了（当有传热过程，或者有能量添加如化学反应，再或者考虑黏性或摩擦生热等能量耗散过程时，必须激活能量方程;如果只考虑能量流而不考虑温度或者能量，就不需要激活）。
由于本次设计的流体为湍流，需要建立湍流模型。双击模型树节点Models Viscous，弹出湍流模型选择对话框，选择Realizable K-epsilon（2 equ）湍流模型及Scalable Wall Functions壁面函数，点击OK按钮关闭对话框。
双击模型树节点Materials，定义材料。点击右侧面板按钮Create/Edit，弹出材料定义对话框，选择材料乙醇，点击Copy按钮添加材料乙醇。
再次双击模型树节点Materials，点击右侧面板按钮Create/Edit，弹出材料定义对话框，先选择Solid改变形态，再选择材料不锈钢，点击Copy按钮添加材料。
2.2 计算结果分析
在Fluent软件中，如果要进行稳态流场分析，就只能对流体的区域进行分析，所以只需激活包含冷却器管内流体区域的部件。由于Fluent智能区分流体边界的强大功能，把没有施加流体载荷的部分全部当作固体边界，在设置边界条件时，只需要设置流体的物性参数以及进出口边界。因为管内流动介质为乙醇，Fluent软件自带的材料库中没有该介质，所以需要设置乙醇的密度为760.854 3 kg/m3，运动黏度为0.000 660 373 m2/s，比热容是2.242 8，导热系数为0.158 5，进口边界条件为沿Y轴方向的稳定流速为4 m/s，出口边界设置成指定出口和入口边界。因为是在理想化的条件下分析，所以认为管道是光滑的。
受换热管影响，管内流体的三维流场分布较为复杂，本研究在不知道换热管流体分布的情况下，对换热管管程流体分布情况进行简化分析，包括在没有换热管作用下的换热管管程流场分布、速度分布、压力分布情况。
2.2.1 迭代曲线
迭代曲线如图1所示。由图1可知，在迭代完成之后，每一条曲线都有波动，但是能源曲线波动较大。可以看出，当流体进入管道时，能源曲线出现过一次波动，随着流体的流动，能源曲线快速下降，当达到最低值之后，波动回升，然后处在一个水平上上下变化;而epsilon曲线虽然前期没有太大变化，但是变化的绝对值较大，波动很明显。
2.2.2 速度分布
速度分布如图2所示。由图2可知，除了管道进出口有细微变化，换热管内流体速度分布很均匀，没有较大的变化，但是在管道弯曲处会出现较大变化，是因为弯管处管内流体受到的阻力较大，但可以看出管内流体流速还是较为均匀的;由于壳内流体进出口的影响，当热流进口时，管道流速变化明显;当热流出口时，壳体内部发生速度变化。由此可知，流体流速受阻力的影响较大。
2.2.3 压强分布
压强分布如图3所示。由图3可知，管道进出口的位置受到的压强较大，使管道流场发生了变化。在出口位置，压强比较小，使管道流场较为平和;流体经过管道中间部位，压强变化较为复杂，压力也造成了管道的轻微形变;在流体进口部分，可能是因为流体进口温度以及压力的影响，流体对管道造成了压力。造成这种变化的原因可能是：在管道进出口部分，因为管道接口问题，流体在进出管道时受到阻力，造成两端管口受到的压强较大;又由于流体进入管道后，流速较快，造成管道前部分压力较大，随着流体的流动，压力逐渐变小。因此，流体在进入管道时，受到流体压力影响最大的部位是管口。
2.2.4 温度分布
温度分布如图4所示。由图4可知，流体进入管道以及从换热管出去时，温度没有太大变化。管道内流体为冷流，壳体内部流体为热流，在冷流与热流相交的壁面，温度发生了变化。由此可知，管壁受到流体温度的影响很大。
2.2.5 涡流黏度分布
涡流黏度变化最大的区域有两处，第一处是管道弯曲处，第二处是热流出口处。发生一处变化可能是因为管道弯曲处压强较大、流速较大，所以涡流黏度较大;同理，热流出口处涡流黏度较大。由此可知，涡流黏度受到压强和流速的影响较大。
2.2.6 湍流涡耗散分布
冷流体进入换热管后，在没遇到阻力且湍动能较为平和的状态下，随着管道的弯曲，湍流涡耗散也一起变化。在流体进口部分，湍流涡耗散也会受到影响，通过耗散可以监测换热管内的流体运动，检测冷却器的性能。
3 结论
针对25 t/s乙醇冷却器，展开以下工作并获得相应结论：
（1）使用ICEM对冷却器进行建模及网格划分，完成所有的前处理。
（2）前处理完成后，把模型导入Fluent模块中完成后处理，导出分析结果图。由分析结果图可知，流速和温度对冷却器的影响很大，也是造成冷却器腐蚀的重要原因。因此，在设计冷却器时，应该重点考虑流体速度和温度的影响。
（3）流体在管道中消耗较大，阻力太大不利于冷却器的稳定运作，压力还是受到很大限制，不耐高温等。所以，后期冷却器设计还应该在此基础上进行改善。
[参考文献]
[1]马湘蓉，闫亚岭，胡申华.正压下酒精水混合蒸汽在板式冷却器凝结时的压降研究[J].热能动力工程，2019，34（4）：104-110.
[2]李鸿志.甲醇溶液冷却器的设计计算[J].江西化工，2019（4）：57-59.
[3]孟祥廷，闫伟，王桂华，等.基于CFD的油冷器流动和换热性能[J].内燃机与动力装置，2019，36（2）：80-84.
关键词：乙醇;冷却器;CFD
乙醇作为一种可再生液体燃料，在提高汽油辛烷值、增加汽油含氧量、减少汽车尾气中有害物质的排放方面有明显的优势，现已成为全球消费量最大的生物燃料，拥有巨大的市场潜力[1]。
冷却器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的冷却设备，随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋紧张，世界各国已高度重视石油化工深度加工和能源的综合利用，冷却器的设计面临新的挑战[2-3]。
1 几何建模及网格划分
本设计选用列管式冷却器，热流体选择乙醇溶液，冷流体为水。冷却器中的冷却水走管程，热流体出口温度为 40 ℃、进口温度为65 ℃，冷流体出口温度为30 ℃、进口温度为25 ℃，冷热流体工作表压均为0.1 MPa。流速对整个管热过程影响较大，增大流速可以增大对流给热系数，降低管道的污垢热阻，增大总传热系数，减小传热面积;但流速过大会增加流体的阻力，所以本次设计中流速均较小。考虑到压力要求不高、冷却水易结垢及冷却水流速，本次设计选用25.0 mm×2.5 mm规格的管子。打开Gambit，建立冷却器的几何模型，选择网格划分命令，然后点击体网格划分按钮，选中需要划分的体，在下方选择以Tet/Hybrid图形的形式划分体网格，勾选Interval Count，在前方输入需要划分的份数（体网格划分得越细，运算的结果越精确，同时运算量越大，运算的时间也越长），点击Apple等待体网格划分完成。
2 CFD优化分析
2.1 条件施加
设置Z轴方向重力加速度为﹣9.81 m/s2。
完成上述步驟后，激活能量方程及湍流方程。右键选择模型树节点Models Energy，出现能量方程的对话框，选择右键菜单项On，能量方程就设置成功了（当有传热过程，或者有能量添加如化学反应，再或者考虑黏性或摩擦生热等能量耗散过程时，必须激活能量方程;如果只考虑能量流而不考虑温度或者能量，就不需要激活）。
由于本次设计的流体为湍流，需要建立湍流模型。双击模型树节点Models Viscous，弹出湍流模型选择对话框，选择Realizable K-epsilon（2 equ）湍流模型及Scalable Wall Functions壁面函数，点击OK按钮关闭对话框。
双击模型树节点Materials，定义材料。点击右侧面板按钮Create/Edit，弹出材料定义对话框，选择材料乙醇，点击Copy按钮添加材料乙醇。
再次双击模型树节点Materials，点击右侧面板按钮Create/Edit，弹出材料定义对话框，先选择Solid改变形态，再选择材料不锈钢，点击Copy按钮添加材料。
2.2 计算结果分析
在Fluent软件中，如果要进行稳态流场分析，就只能对流体的区域进行分析，所以只需激活包含冷却器管内流体区域的部件。由于Fluent智能区分流体边界的强大功能，把没有施加流体载荷的部分全部当作固体边界，在设置边界条件时，只需要设置流体的物性参数以及进出口边界。因为管内流动介质为乙醇，Fluent软件自带的材料库中没有该介质，所以需要设置乙醇的密度为760.854 3 kg/m3，运动黏度为0.000 660 373 m2/s，比热容是2.242 8，导热系数为0.158 5，进口边界条件为沿Y轴方向的稳定流速为4 m/s，出口边界设置成指定出口和入口边界。因为是在理想化的条件下分析，所以认为管道是光滑的。
受换热管影响，管内流体的三维流场分布较为复杂，本研究在不知道换热管流体分布的情况下，对换热管管程流体分布情况进行简化分析，包括在没有换热管作用下的换热管管程流场分布、速度分布、压力分布情况。
2.2.1 迭代曲线
迭代曲线如图1所示。由图1可知，在迭代完成之后，每一条曲线都有波动，但是能源曲线波动较大。可以看出，当流体进入管道时，能源曲线出现过一次波动，随着流体的流动，能源曲线快速下降，当达到最低值之后，波动回升，然后处在一个水平上上下变化;而epsilon曲线虽然前期没有太大变化，但是变化的绝对值较大，波动很明显。
2.2.2 速度分布
速度分布如图2所示。由图2可知，除了管道进出口有细微变化，换热管内流体速度分布很均匀，没有较大的变化，但是在管道弯曲处会出现较大变化，是因为弯管处管内流体受到的阻力较大，但可以看出管内流体流速还是较为均匀的;由于壳内流体进出口的影响，当热流进口时，管道流速变化明显;当热流出口时，壳体内部发生速度变化。由此可知，流体流速受阻力的影响较大。
2.2.3 压强分布
压强分布如图3所示。由图3可知，管道进出口的位置受到的压强较大，使管道流场发生了变化。在出口位置，压强比较小，使管道流场较为平和;流体经过管道中间部位，压强变化较为复杂，压力也造成了管道的轻微形变;在流体进口部分，可能是因为流体进口温度以及压力的影响，流体对管道造成了压力。造成这种变化的原因可能是：在管道进出口部分，因为管道接口问题，流体在进出管道时受到阻力，造成两端管口受到的压强较大;又由于流体进入管道后，流速较快，造成管道前部分压力较大，随着流体的流动，压力逐渐变小。因此，流体在进入管道时，受到流体压力影响最大的部位是管口。
2.2.4 温度分布
温度分布如图4所示。由图4可知，流体进入管道以及从换热管出去时，温度没有太大变化。管道内流体为冷流，壳体内部流体为热流，在冷流与热流相交的壁面，温度发生了变化。由此可知，管壁受到流体温度的影响很大。
2.2.5 涡流黏度分布
涡流黏度变化最大的区域有两处，第一处是管道弯曲处，第二处是热流出口处。发生一处变化可能是因为管道弯曲处压强较大、流速较大，所以涡流黏度较大;同理，热流出口处涡流黏度较大。由此可知，涡流黏度受到压强和流速的影响较大。
2.2.6 湍流涡耗散分布
冷流体进入换热管后，在没遇到阻力且湍动能较为平和的状态下，随着管道的弯曲，湍流涡耗散也一起变化。在流体进口部分，湍流涡耗散也会受到影响，通过耗散可以监测换热管内的流体运动，检测冷却器的性能。
3 结论
针对25 t/s乙醇冷却器，展开以下工作并获得相应结论：
（1）使用ICEM对冷却器进行建模及网格划分，完成所有的前处理。
（2）前处理完成后，把模型导入Fluent模块中完成后处理，导出分析结果图。由分析结果图可知，流速和温度对冷却器的影响很大，也是造成冷却器腐蚀的重要原因。因此，在设计冷却器时，应该重点考虑流体速度和温度的影响。
（3）流体在管道中消耗较大，阻力太大不利于冷却器的稳定运作，压力还是受到很大限制，不耐高温等。所以，后期冷却器设计还应该在此基础上进行改善。
[参考文献]
[1]马湘蓉，闫亚岭，胡申华.正压下酒精水混合蒸汽在板式冷却器凝结时的压降研究[J].热能动力工程，2019，34（4）：104-110.
[2]李鸿志.甲醇溶液冷却器的设计计算[J].江西化工，2019（4）：57-59.
[3]孟祥廷，闫伟，王桂华，等.基于CFD的油冷器流动和换热性能[J].内燃机与动力装置，2019，36（2）：80-84.