（工程热物理专业论文）纵流式换热器流动与传热特性的研究.pdf

中文摘要 纵流式换热器是一种综合性能较好的新型换热器，在换热量相同时，所消 耗的泵功率相对于折流板式换热器较少。由于纵流式换热器的壳程结构不同于 折流板式换热器，本文对纵流式换热器的传热和流动阻力性质进行了研究；对 其结构变化引起的壳程流场和温度变化做了以下工作： 1 采用数值模拟方法，研究了纵流式换热器和折流板式换热器流场和温度场 的分布。以往对换热器壳程流场和温度场的数值模拟都是建立在多孔介质模型 基础上进行的，存在许多问题。由于多孔介质模型的不完善性，本文首次采用 湍流模型研究了纵流式换热器的工作特性。 2 丰艮据换热器的实际结构，对纵流式换热器和折流板式换热器进行了适当简 化，势以此为基础建立了计算模型并进行了数值模拟，得到了纵流式换热器和 折流板换热器内的流场和温度场。两者相比，纵流式换热器壳程特有的支撑结 构不仅增加了传热表面积，而且在流动中起到增强流体扰动和湍流度的作用； 与此同时，流场中的流动滞止区相对减小，流动阻力减小；同时，温度场分布 更均匀。 3 采用热力学第一定律和热力学第二定律的基本原理，分析比较了两种换热 器的性能。认为只有综合考虑换热器的传热特性和压降特性，爿能较为准确、 客观地分析换热器的性能。 本文的研究表明：在用数值方法模拟换热器中的流场与温度场时，采用湍 流模型可以比用多孔介质模型获得更详细、准确的换热器内部流场与温度场信 息：同时，本研究对换热器进行的性能分析也表明纵流式换热器有较好的流动 与传热特性。 关键词：纵流，绕流管，数值模拟，流动阻力 a b s t r a c t l o n g i t u d i n a l - f l o wh e a te x c h a n g e ri s an e wt y p eo fh e a te x c h a n g e r , w h i c h c o n s u m e sl e s sp u m pp o w e rt h a nb a f f l eb o a r dh e a te x c h a n g e ra tt h ee x c h a n g i n gs a m e q u a n t i t yo fh e a t i nt h i sp a p e r ，t h ec h a r a c t e r so fh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c eo n l o n g i t u d i n a l f l o w h e a te x c h a n g e ra r e i n v e s t i g a t e d t h e l o n g i t u d i n a l - f l o wh e a t e x c h a n g ei sd i f f e r e n tf r o mt h eb a f f l eb o a r dh e a te x c h a n g e ri ns h e l ls t r u c t u r ew h i c h l e a dt ov a r i o u sf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r e f o r et h es t u d yo ni ti su n d e r t o o k a sf o l l o w i n g ： 1t h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n df l o wf i e l di nl o n g i t u d i n a l f l o w h e a te x c h a n g e ri se x p l o r e d _ b yn u m e r i c a lm e t h o d g e n e r a l l yt h en u m e r i c a ls t i m u l a t i o n o nf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do fs h e l ld i s t a n c ei sb a s e do np o r o u sm e d i u m m o d e l f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ed i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di s s t i m u l a t e dw i t ht u r b u l e n tc u r r e n tm o d e li nt h i sp a p e r 2 l o n g i t u d i n a l f l o wh e a te x c h a n g e ra n db a f f l eb o a r dh e a te x c h a n g e ra r e p r e d i g e s t e do nt h eb a s eo ff u l l s c a l ee n t i t y b a s e do nt h em o d e l s ，f l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l da r ec a l c u l a t e dw i t hn u m e r i c a ls t i m u l a t i o nm e t h o d c o m p a r e dw i t h b a f f l eb o a r dh e a te x c h a n g e r , t h es t r u c t u r eo fl o n g i t u d i n a l f l o wh e a te x c h a n g e rh a s s u p p o r t i n gt u b e ，w h i c hn o to n l ye n h a n c eh e a tt r a n s f e ra r e ab u ta l s oh a v ea l le f f e c to n r e m o l d i n ga n dr e i n f o r c i n gt u r b u l e n c e a tt h es a l t l et i m e ，t h ed i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l d a n dt e m p e r a t u r ef i e l di nl o n g i t u d i n a l f l o wh e a te x c h a n g e ri sm o r eu n i f o r mt h a nt h a t i nb a f f l eb o a r dh e a te x c h a n g e r m e a n w h i i e ，t h en u m e r i c a li n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e st h a t t h el o n g i t u d i n a l f l o wh e a te x c h a n g e rh a sl e s sf l o wr e s i s t a n c e 3 t h ec h a r a c t e ro fl o n g i t u d i n a l f l o wh e a te x c h a n g e ra n db a f f l eb o a r dh e a t e x c h a n g e ri sa n a l y z e dw i t ht h ef i r s tl a wo ft h e r m o d y n a m i c sa n dt h es e c o n dl a wo f t h e r m o d y n a m i c s ，t h er e s u l ts h o w st h ep e r f o r m a n c eo fh e a te x c h a n g e rc a no n l yb e p r e f e r a b l ya n a l y z e dw i t ht h es e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c so nb a s eo fc o n s i d e r i n g c h a r a c t e r i s t i co f h e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c e i naw o r d ，t h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dc a nb es i m u l a t e di n d e t a i lb y n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft u r b u l e n tc u r r e n tm o d e lr a t h e rt h a np o r o u sm e d i u mm o d e l a n dl o n g i t u d i n a l - f l o wh e a te x c h a n g eh a sp r e f e r a b l yp e r f o r m a n c eb ya n a l y s i s k e y w o r d ：l o n g i t u d i n a l f l o w , b y p a s s ，n u m e r i c a ls t i m u l a t i o n ，f l o wr e s i s t a n c e 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 换热器是热力过程中的关键设备，广泛应用于能源、动力、化工、冶金、机 械、交通、航空与航天等领域。同时，换热器也是利用能源与节约能源的必要 设备。7 0 年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节约 能源降低消耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程高效能 换熟设备。近些年来。换热器的开发与研究己经成为人们非常关注的课题。 换热器大致h 可以分为间壁式、混合式和蓄热式三类。在各种形式的换热器 中，管壳式换热器是目前应用最广泛，也是最重要的一种。管壳式换热器具有， 易于制造、成本较低、清洗方便、适应性强、处理量大、工作可靠、选材范围 广等特点，且能适用于高温高压的情形。当然，它也存在一些的缺点。诸如结 构紧凑性较差、传热系数相对较低以及金属热强度较小等。”由于其优点突出， 目前在换热器使用中仍占重要的地位。设计新型换热器是解决问题的一种方法。 最近，出现了一些新型的换热器，如纵流式换热器，它一出现，便由于其良好 的强化传热特性和流动阻力较小的特点，受到人们广泛的重视。 1 ，2 管壳式换热器特点 ( 1 ) 单弓形折流板型“” 单弓形折流板型是目前管壳式换热器最常用的壳程结构。单弓形折流板换热 器壳程中的流体介质在折流板附近离圆缺较远的区域和进出口管板附近离流道 较远处形成相对静止区，而真正起到高效率传热的强制湍流区是有限的。 相对静止区 相对静止区相对静止区 相对静止区相对静止区 图卜t 单弓形折流板型流场 第一章绪论 ( 2 ) 双弓形或多弓形挡板型 双弓形或多弓形是在单弓形折流板型的基础上研制开发的。多弓形挡板的特 点是大的弓形缺口开孔面积，它可以减少挡板间距或由于压力降的限制而减少 错流。某些形式的多弓形挡板，可使流体呈接近于管平行的方式流动，使流体 压力降更低。 弓形挡板的缺口，以直径或自由面积的百分数来表示，一般认为是最佳的直 径切口为2 0 ，它对于一既定的压力降可有最高的热传热率。相对适用的范围 较窄。并且挡板切口面积过分地增加，会使流型更背离错流。 图1 2 双弓形挡板型流场 ( 3 ) 弓形缺口区不布置地单弓形挡板型 对于高流量的大型换热器，在挡板缺口处面积不布置管更为经济。它可以提 供更好的传热效率，且可以减少流体诱发振动的可能，因为它的管支撑跨距为 单弓形挡板的管子最长跨距的o 5 倍，管自振频率提高了4 倍。 总之，在折流板式换热器中，目前主要存在的问题是换热效率较低，阻力较 大，在一些流动死区积灰和积垢较多，使本来换热不好的区域，换热条件更加 恶化。 1 3 换热器强化传热的途径 国内外对强化对流换热的手段开展了r 。泛的研究，目前已开发出来的强化手 段可大致分为无缘技术( 又称被动式技术) 及有缘技术( 又称为主动式技术) 两大类。所谓强化传热的无缘技术，是指除了输送传热介质的功率消耗外不再 需要附加动力的技术。丽强化传热的有源技术则是需要采用外加的动力( 机械 力、电磁力等) 的技术。”因为无缘强化传热技术不需要外加动力，在工业应用 上被广泛采用。 我们知道，在表面式换热器中，单位时间内的换热量q 与冷热流体的温度差 ( 传热温差) 丁及传热面积f 成正比，即： 篁二童丝鲨 一一 q = k f a t 式中，比例系数k 称为传热系数，它是反映传热强弱的指标当传热面积f 和 传热温差v t 固定时，传热系数越大，传热量也就越大。由上式可以看出，增大 传熟量q 可以通过提高传热系数k 扩大传热面积f 和增大传热温差r 三种途径 来：实现。 ( 1 ) 增大传热系数k 在换热器的管壁厚比较小且没有结垢的情况下，换热稳定运行时的传热系数 k 可按下式计算“： 三：一1 + 鱼+ 一1 ( 1 - 2 ) k 丑也 式甲： h ，一热流体与管壁面之间的对流换热系数，w ( m 2 。c ) ； h 2 ，冷流体与管子壁面之间的对流换热系数，w ( m 2 。c ) ： d 一管壁台匀厚度，m 管材的导热系数，w ，沏o c ) 。 当需要强化一个传熟过程时，应当首先判断哪一个传热环节的分热阻最大， 针对这个分热阻采取强化措施收效最为显著。 ( 增大传热温差了1 增大传热温差的方法有两种，一是提高热流体的进口温度或降低冷流体的进 口温度。另一种通过传热面的布置来提高传热温差。当传热面的布置使冷繁尊 体同向流动( 顺流) 时，其平均温差最小，当传热面布置成两种流体相互逆向 蒹夏( 逆流) 时，其平均温差最大。换热器可以实现完全的逆流，使在相同温 度的进出# k t 4 t ，温差最大。 r 、增女传热面积f 。7 扩大传热面积是增加传热量的一种有效途径。扩大传热面积以强化传热兰 不是简单地通过增大设备体积来扩大传热面积，而是通过传热面结构的改进来 增大单位体积内地传热面积，从而使得换热器高效而紧凑。 1 ，4 纵向流换热器 针对传统型管壳式换热器存在的各种缺点，本文研究的一种新型纵流式 纵 向流) 换热器，其结构做了重大的改进，流动和换热都不同于其它形苎咛换釜 嘉。它相对于单弓形折流板式换热器，其主要特点是抉热效率的降低很少，但 塑二里堕堡 按一般换热器的分类方法，纵流式换热器也是一种管壳式换热器。纵流式换 热器是指以新型管束支撑物取代传统的折流板支撑，所产生的壳程自由流道使 流体呈纵向流动的一类换热器。“ 1 4 1 纵流式换热器的发展历史 最初纵向流换热器管束结构型式是折流板管孔大于管径地整圆孔孔板结构， 早在1 9 4 0 年s h o r t 己公布了大量这种结构的数据，当时在国外应用十分普遍， 特别是在层流工作条件下，换热效果比较好，压降也比较小。但由于管得不到 充分地支撑为人们所抛弃。直到上世纪9 0 年代初，西欧经改进而提出了异形孔 板结构，使孔板结构重新得到了发展，图卜3 ( 1 7 ) 0 之后美国菲利普石油公司开 发了折流秆纵向流换热器。从而引起了纵流式换热器研究的热潮。我国华南理 工大学等单位研制开发了折流板式换热器。成为单弓形折流板更新替代产品。 近期国内外开发研究了变形管无折流板管束结构，图卜4 “7 是华南理工大学钱 松文教授试验的变形管无折流板管束的结构和布置。 图卜3 纵向流管束异形孔折流板 厂v 、一、 、一 0 一 、一、f (，f ，、一、厂y、厂、 7 一 ， 、厂3 l； ，一一、厂、一、 一 九 一一 晦花形围 ，、f、厂、 l j 一 一， 、厂、? 6、一、厂、 、 07 ) - 、厂 一 、厂、厂、一厂、 八 0 、一一一 f、厂、 l 一f ， 图i 一4 无折流杆换热器 第一章绪论 1 4 ，2 纵流式换热器的强化传热 纵流式换热器壳程内增加绕流管，即增加了传热面积，又增加了壳程流体 的扰动，同时可以实现完全的顺流或逆流，与折流板式换热器相比，虽然纵流 式换热器流过的通道较短，但有效换热面积相对较大。在逆流条件下，传热温 差增加了。此外它相对于折流板式换热器，它的抗积垢能力比较强，且容易清 洗，运行段时间后，传热系数下降的很少，所以在这种意义上也就阳j 接起到 了强化换热的作用。 1 4 3 纵流式换热器效率增加的机理 换热器是在两种或多种介质问进行热量交换而设计的设备。无论何种换热 器，它的传热量都应该尽量地大，而消耗于输送流经换热器的流体的功率应该 尽量地小。对于许多流道，传热率与流体在流道中的流速近于一次方关系，而 功率消耗则与流速成三次方关系。因此，在设计某种高效换热器时，应很好地 处理传热率和功率消耗的关系。例如，对于某种应用场合，压力损失过大，可 以通过增加流道数目或减少传热效果不好的流道，降低流速，减少压力损失。 这些方法也将使传热率下降，但它的下降，远小于阻力下降或功率消耗的下降， 而传热量不足部分可以通过其它方式来弥补。 本文研究的换热器结构将在第二章中详细介绍，它的支撑结构增加了换热 面积，并且支撑结构改变，即由传统型的折流板改为绕流管支撑，流道结构发 生了变化，把阻力大的流道变成了阻力小的流道，流道结构改变，壳程实现了 完全的顺流或逆流。有效传热面积增加了，并且传热温差也增大了。本文中设 计的纵流式换热器，消耗的泵功率减少了，传热量也减少了，但总的传热与消 耗的泵功率的性能比却增加了。 1 44 纵流式换热器的可靠性 换热器设计是个综合性的课题，必须考虑运行费用、安全可靠等因素。在 换热器运行中，管束振动和积垢是造成事故的主要原因。 在设计换热器时，必须考虑引起管束诱导振动的因素。对于单弓形折流板 式换热器，流体横掠圆管时，在其两侧的下游会交替产生漩涡，形成具有周期 性的漩涡尾流，这使得圆管的压力分布也产生周期性的变化；漩涡的脱落还造 成流动阻力的周期性变化，由此导致圆管在流动方向上的振动。这也一直是困 扰管壳式换热器的一大难题。而纵流式换热器，主要是平行于传热管轴线流动 的纵向流，纵向流所激发的振动振幅较小，危害性不大。 第一章绪论 另一个问题是积垢，换热器内传热表面积垢使传热能力大幅度降低，影响了 换热器的基本效能。污垢是热的不良导体，由于换热器内传热元件的传热系数 一般较大，其壁面上的污垢热阻对传热可以起到控制性的作用。污垢恶化了换 热器的传热性能，增加了原材料消耗，同时还会因垢层的增加而减少流通面积， 导致流动阻力增加。因为形成污垢的机理非常复杂，目前的工作状态解决这一 问题还很遥远，因此，设计出污垢不易生成和易于清洗的换热器是比较实用的。 纵流式换热器正是在综合考虑了这些因素的基础上设计的。其特点是：管 束振动比较小和抗积垢能力比较强。 总结纵向流换热器的特点如下： ( 1 ) 换热效果好，有效传热面积大大提高。 ( 2 ) 结构紧凑，实现了完全逆流，传热温差较大。 ( 3 ) 用绕流管代替折流板，流体的流动阻力减小 ( 4 ) 振动小，结构可靠 ( 5 ) 不易污塞，制造简单，材料利用率高 1 5 换热器研究方法 对换热器的研究一般采用实验方法和数值模拟方法。 1 5 1 实验方法 实验研究方法是获取重要数据的手段，国内外很多学者对换热器的换热和流 动情况，特别是换热器壳程的换热和流动的研究。但效果并不令人满意。因为 实验方法只是给出换热器整体的压降和传热系数，不能预测换热器内详细的流 动、换热和流场。事实上，详细的流场、温度场对于更好地了解换热器运行以 及换热器地设计研究是很重要的。因此，人们越来越认识到基于定实验数据 的数值分析是获得复杂物理问题详细解的一一个节约投资、减少浪费、方便可行 的途径。 1 5 2 数值模拟方法 管壳式换热器中流体流动与换热是相当复杂的。首先，壳侧流体横掠绕流管， 纵掠传热管，介于绕流管和传热管之间的流体流动更为复杂。管内流体与管外 流体之间的热交换是耦合在一起的。对这样复杂的流动与换热过程用实验测定 设备复杂，价格昂贵，并且测量得不很准确等缺点。因此，不少学者从事换热 第章绪论 另一个问题是积垢，换热器内传热表面积垢使传热能力大幅度降低影响了 换熟器的基奉效能。污垢是热的不艮导体，由于换热器内传热元件的传热系数 般较大，其壁而上的污垢热阻对传热可以起到控制性的作用。污垢恶化了换 热器的传热性能，增加了原材料消耗，同l ； 寸还会因垢层的增加而减少流通面积， 导致流动阻山增加。因为形成污垢的机理非常复杂，目前的工作状态解决这一 问题还很遥远，因此，设计出污垢不易牛成和易于清洗的换热器是比较实用的。 纵流式换热器正是在综合考虑了这些因素的基础上设计的。其特点是：管 束振动比较小车口抗积垢能力比较强。 总结纵向流换热器的特点如下： ( 1 ) 换热效果好，有效传热而秘大大提高。 ( 2 ) 结构紧凑，实现了完全逆流，传热温差较大。 ( 3 ) 用绕流管代替折流板，流体的流动阻力减小 ( 4 ) 振动小，结构可靠 ( 5 ) 小易污塞，制造简单，材料利刚率高 1 5 换热器研究方法 对换热器的研究一般采用实验方法和数值模拟方法。 151 实验方法 宴验研究方法是获取重要数据的手段，国内外很多学者对换热器的换热和流 动情况，特别是换热器壳程的换热和流动的研究。但效果并不令人满意。刚为 实验方法只是给出换热器整体的压降和传热系数，不能预测换热器内详细的流 动、换热和流场。事实上，详细的流场、温度场对于更好地了解换热器运行以 及换热器地设计研究是很重要的。因此，人们越来越认识到基于定实验数据 的数值分折是获得复杂物理问题详细解的一个节约投资、减少浪费、方便可行 的途径。 1 5 2 数值模拟方法 管壳式换热器中流体流动与换热是相当复杂的。首先，壳删流体横掠绕流管， 纵掠传热管，介于绕流管和传热管之问的流体流动更为复杂。管内流体与管外 流体之间的热交换是耦合在一起的。对这样复杂的流动与抉热过程用实验测定 设备复杂，价格昂贵，并且测量得不很准确等缺点。因此，不少学者从事换热 设备复杂，价格昂贵，并且测量得不很准确等缺点。冈此，不少学者从事换热 第一章绪论 器模拟工作。数值模拟与实验方法相比，有以下几方面的优点； ( 1 ) 模拟能力强计算机模拟技术既能模拟真实条件，又能模拟某些理想化的假 定，拓宽了实验研究的范围，便于分析研究各种情况下的换热器的运行特性， 并减少了实验的工作量。 ( 2 ) 数据完整数值计算可以得出换热器内部的流场、温度场及压力、传热系数 等参数的分布，据此，可以详细分析换热器内管束结构等的布置的合理性。 ( 3 ) 经济性好数值计算的费用远远低于实验研究的费用。 ( 4 ) 周期短实验方法需要的时间远远多于数值计算所用的时间。并且可以从各 种参数的大量匹配组合中选择多种方案进行比较，选择最佳的快速性和灵活 性参数比，是实验研究所无法比拟的。 目前换热器的数值模拟多采用多孔介质方法，不能用湍流模型研究换热器内 部流场和温度场，为此本文首次提出用湍流模型模拟换热器内部的流态和温度 分布。 1 6 本文研究的主要内容 本文主要对纵流式换热器进行流动和传热特性的研究，包括以下内容： ( 1 ) 流动特性 在纵流式换热器，流体在壳程内横向冲刷绕流管，纵向冲刷传热管，可以实 现完全意义上的顺流或逆流，且流动阻力大大地减少了。 ( 2 ) 传热特性 由于流动特性改变了，传热特性也发生了改变，由横向冲刷绕流管的传热和 纵向冲刷传热管的传热。 ( 3 ) 性能评价 采用热力学第一定律和第二定律分析方法，对纵流式换热器和折流板式换热 器进行性能评价。 第二章纵流式换热器结构分析雨j 可靠性分析 第二章纵流式换热器结构分析和可靠性分析 2 1 纵流式换热器的结构分析 本文研究了两种换热器，纵流式换热器和折流板式换热器，不同的结构决定 了换热器不同的流动性质。 2 1 1 纵流式换热器和折流板式换热器的结构 本文研究的纵流式换热器是在实体换热器的基础上，去除了阀门、仪表等与 传热关系不大的部件设计的。结构设计采用国家标准，管束按照国家标准管型选 取，管程入口、管程出口、壳程入口和壳程出厂 的管子采用5 1 m m ，壁厚3 m m ，传 热管和绕流管采用1 9 哪，壁厚2 m m 。“ 管 管 首程出口管税亮程入口壳程出口管扳 管程 口 一厂i 。 厂 - ll 嚏土土土主 土 土j 土主土主 土土主 土史 哭xxxxx x x x x x xxxxx x x xx 空腔2 瞿xxx x xxx xxxx xx xxx xx 足 空控1 xxxxxx xx盖zxxxxxxzxxx 凳xxjxxx 工舅xxx xx 盖xxxxx 。 鲨xx x x x xx xx xx ) 【xxx x xx 呷vvy 吖yv 、ryvv v v vv 甲vv y 图2 一l 纵流式换热器结构示意图 纵流式换热器的结构完全不同于传统管壳式换热器的结构。其结构如图2 一 l 所示。它没有折流板。传热管之问支撑用短管( 以后叫绕流管) 焊接在一起， 绕流管轴向与传热管轴向垂直。绕流管和传热管都是采用顺列1 2 5 1 2 5 布置。 传热管与传热管尽量布置紧密，并且采用小管径，因为小管径相对大管径有较多 的传热面积和较高的承压能力。 纵流式换热器的流动：壳程的流体由壳程入口流入，由壳程出口流出。管程 的流体由管程入口流入，进入管板前的空腔1 ，再流入壳程换热部分，由换热部 分再进入管程出口的空腔2 内，由管程出i z l 流出。由两个管板分别将壳程与管程 分丌。 为了便于比较，设计单弓形折流板换热器”1 ，除没有绕流管外，增加5 个 第二章纵流式换热器结构分析和可靠性分析 折流板，如2 2 图分布所示。其它尺寸完全与纵流式换热器相同。 图2 - 2 单弓形折流板式换热器示意图 2 1 2 纵流式换热器壳程特点 传热管内流体流动属于管程流动，传热管外的流体流动属于壳程流动。传热 管布置方式与折流板型基本相同。 壳程内由折流板支撑换成绕流管支撑，绕流管束作为这种换热器的典型结构 之一，具有以下的特点： f 1 1 增加管外换热面积 绕流管在传热管外扩展了换热面积，故其对流传热面由扩展表面一绕流管外 表面和传热管面两部分所构成。 ( 2 ) 换热器结构紧凑 绕流管管束增加了单位体积内换热面积，在换热量相同情况下，可减小换热 器的体积。 f 3 1 强化传热条件 流体与绕流管管横向冲刷，减小了流动死区，使换热面积加大；并且横向冲 刷支撑管后，造成周期性绕流。增加了流体湍流度。从而强化传热。a ( 4 1 减小管外流体的流动阻力 用绕流管代替折流板，改善了流体流动的环境，实现了完全的顺流或逆流。 从而流动阻力大大地减少了。 2 1 3 两种不同纵流式换热器壳程的比较 美国菲利普公司首先开发了折流杆管壳式换热器( ，如图2 ，3 所示，其壳程 内支撑结构为折流栅，流体主流为纵向流动，它具有优良的防流体诱导振动性能， 传热性能好，流体流动阻力小、抗结垢能力强，使用寿命长、节约材料等显著特 一 笙兰兰坐塑垄垫垫堡丝塑坌堑型里塞竺坌塑 点，迅速得以推广。它的流场如图2 - 4 所示 图2 - 3 折流杆式换热器 诚然，折流杆式换热器存在的上述优点，仔细分析，由于折流杆分布在局部，在 流体流动中起到了绕流的作用，但很快就消失了，并且造成局部阻力过大。如果 都置很多折流杆，使折流杆之间距离非常小，可以达到连续绕流的效果，但是势 必增加了换热器的重量，流动阻力也相应加大。我们把绕流管代替折流杆，分开 靠置，就是图2 1 结构，它不仅克服了局部阻力过大的缺点，而且达到很好的绕 流效果，在与折流杆式换热器相同重量时，使流体的湍流度明显增强。从而更加 强化了换热。 21 4 流路分析 图2 - 4 折流杆式换热器绕过折流杆时流场“7 因为人们熟悉流路分析，就从流路分析研究纵流式换热器的流道。流路分析 法的本质在于假设壳程流体沿着某些独立的流道从一个折流板空间流向下一个 折流板空间，这些流道理想为具有模拟摩擦因子的管道，利用经典的管网分析技 术来解决每个流道的流量分率。 本文分析流路的变化来分析流道结构的改变，由流道结构变化来分析纵流式 第二章纵流式换热器结构分析和可靠性分析 换热器和折流板式换热器不同的流动性质。 图2 - 5 流路模型 路蚍 a 流路：它是穿过管子和折流板管孔之间的弧形间隙而越过折流板的流路。 该流路相对管柬轴线主要是平行流路。 b 流路：它是垂直于管束的横向流路，是管束热传递的有效流路。 c 流路：该流路占据了两个相邻折流板缺口之间所确定韵空间，为螺线形通 道( 参见图2 1 ) 。在管柬管束可拆的换热器( 尤其是浮头式换热器) 中，这 流路的流通面积很大。该流路的流速通常比横流速度高，被这一流路所掠过的位 于管束外缘的管子，对这一流路的效应是特别敏感的。设计者应注意c 流路区中 的个别管子，因为这些管子经受的流速很高，很容易出现流体诱导振动。 e 流路：该流路为通过折流板外缘于壳体内壁的间隙而平行于壳体的平行流 路，该流路对传热没有作用。 f 流路：该流路位于于b 流路平行的平面中。 横越管柬的b 流换热效果最好，a 流接近于b 流，这是由于它有效地与管子 接触。c 流和f 流仅仅部分地与管子接触，而e 流则完全不与管子接触。因此它 们对换热地影响排列为：b a ( c ，f ) e ，所以，在制造和设计换热器时，应该努力 增加b 流。工程实际上设计的换热器的流路是这样的，而本文设计的单弓形折流 板式换热器，消除了有害回路c 和e 。管程是单流程，没有f 回路。 纵流式换热器的流路由结构可知，除a 旁路其它的旁路均被消除了，都转变 成于传热主流路相汇合一致的流路。它的流路非常简单。因为还没有人对纵流式 换热器作出流路模型。在此先用它的流场图代替如图2 - 6 。虽然纵流式换热器的 流程没有折流板型的长，但是它只剩下换热效果比较好的流路，如图2 6 所示。 第二章纵流式换热器结构分析和可靠性分柝 慌路 图2 6 纵流式换热器中横掠绕流管时的流动 2 2 纵流式换热器与折流板式换热器可靠性分析 本文仅从流体在壳程内的流动性质分析换热器的可靠性。换热器发生事故的 主要原因是管柬振动造成的磨损和积垢造成的换热条件恶化。这些事故主要发生 在壳程内。 在相同流速下，纵流式换热器壳程内横掠圆管束的流动图2 6 、图2 7 可见， 除在入口处和出口处有较大的速度变化。其它区域流体只是在横向流过绕流管时 会产生收缩和扩张，流速也随之加速或减速这种变化。在第四章的流速分析中也 可以看到，折流板式换热器内最高流速和平均流速都大于纵流式换热器。图4 9 和图4 一1 8 。但这种流速变化相对折流板式换热器的壳程流速的变化小得多，如 图2 6 、图2 7 所示。 在折流板式换热器中，由于折流板对流体流动的阻碍，在每块折流板弓形缺 口前都形成较大的压差，在弓形缺口处流速变大，对折流板的冲击很大。流体在 折流板与壳程接口处形成漩涡( 相对静止区) ，流速较小，换热效果不好，并且 这旱最容易积垢，更加重了换热条件恶化。并且由流场图2 8 可知，在壳程内速 度变化剧烈，形成较大的振动。并且这些振动也导致管束振动。这些因素是换热 器事故发生的主要原因。图中用颜色表示大小，用箭头表示方向。 第二章纵流式换热器结构分析和可靠性分析 图2 7 纵流式换热器壳程流场 图2 8 折流板式换热器壳程速度分布 总结纵向流管束的主要特点是： ( 1 ) 与单弓形折流板管束相比，纵流式管束具有较均匀的流速，因为纵向流管束 中流体的摩擦压损仅损失在传热管表面和绕流管表面。它不像错流管束流体 绕过弓形缺口区时较大的压力损耗，形成较大的流速变化。 ( 2 ) 在整个管束上采用圆柱支撑管束，可有效地防止管子地下垂和流体振动。尽 管流体在纵向流过支撑圆柱时会产生流体收缩和扩张的压力损失，但这正是 其造成热传递的强化效应。 ( 3 ) 纵向管束显示流体在管束内分布的均匀性，而不存在折流板式流动中存在较 大的相对静止区。这也是纵向管束的一个主要的优点，传热面积几乎1 0 0 的 第二章纵流式抉热器结构分析和可靠性分析 充分利用。 缺点：纵流式管束支撑物在壳程空隙率较大，对壳程流体流速的调节作用较 小。 在这里我们指出，在研究换热器的强化传热过程中，往往偏重于传热的强化， 丽较少地考虑可靠性问题，所以研制一种既可以强化传热，又能够提高可靠性地 新型换热器具有重要地意义。传热的强化，意味着设备经济性地提高；可靠性地 提高，意味着设备可用率的增加，这两者的综合作用，比单独考虑任何一项对工 程项目地贡献要大得多。虽然本文仅考察它的传热效果和阻力问题。 第三章模型的建立 第三章模型建立 3 1 管壳式换热器流场数值模拟 管程的数值模拟相对来说比较简单。而壳程的数值模拟一直存在着很多问题。 壳程无相变的流动与换热过程应用计算流体力学进行换热器模拟最早是由 p a t , a n k a i 与s p a d i n g 在1 9 7 2 年提出来的。但由于受到计算机条件和计算流体力 学发展程度的限制，研究进展缓慢。8 0 年代由于核电厂换热设备向大型化、高参 数化发展，促进了这方面的研究，开发了大型通用软件如p h o e n i c s 、f l o w 3 d ，使 复杂的流场分析得以实现。但是，现在大多数文章都是解连续的n a v i e r s t o k e s 方程，并对壳程中的传热管和挡板等使用p a t a n k a r 和s p a d i n g 提出的分布阻力 概念，以考虑壳侧的固体表面对流体流动的影响。壳侧豹管子、挡扳、隔板等看 成是多孔介质，用体积多孔度表示流体占有的空间对整个空间的百分比。管壳式 换热器壳程单相流场是一个复杂的三维流动过程，不借助于一定的假设或模型， 对工业规模的换热器的每一个细节全部模拟出来，从而确定流动阻力与换热系数， 还未见报道。主要原因之一是受到计算机容量的限制。 3 1 1 壳程采用多子l 介质模型的缺点 因为折流板式换热器结构的复杂，壳程流体在壳间的流动时而垂直于管壳， 时而平行于管束，在穿过挡板的开孔处时还有一部分流体从挡板与管子问的间隙 中泄漏；并且，管内流体与管外流体之间的热交换是耦合在一起的。对于结构不 能简化，只能按实际外形建立模型，要对这样复杂的流动与换热过程采取数值模 拟，把管内流体、管外流体的流速、温度分布的每一个细节( 例如在管子后面的 漩涡，穿过隔板的泄漏等) 全部分辨出来，从而确定流动阻力与换热系数，是相 当困难的。例如，初步估计表明，对有5 0 0 根管子、1 0 块折流板的换热器要进行 这样场模拟至少要1 5 x1 0 6 个控制容积。管壳式换热器数值计算的多孔介质模型 e 是为了避免对计算机资源这种巨大的要求而提出来的。利用多孔介质模型计算 得到的壳程各节点上的流速只具有某种平均意义，并不能反映在各管子之间流动 的细节。” 3 1 2 换热器结构上的简化 由于计算机容量的限铡，只有对模型简化爿+ 能计算。本文设计的换热器是实际 换热器简化后的模型结构，去处了一些阀门仪表等结构。壳内布置3 0 根传热管。 第三章模型的建立 因为结构的对称性，它的流路结构相对简单，并且结构上对称，可以只作换热器 对称性的一半。这样换热器比较小，可以用湍流模型理论进行数值模拟。 现在应用较广泛的p h o e n i c s 、f l u e n t 等流场模拟软件能解决三维层流或湍流、 单相或多相、稳态或瞬态问题的传热、流场模拟。壳侧的速度场和温度场分布时 设计和优化换热器的基础，只有在细致地了解速度场和温度场的分布，才能设计 出高效换热器。本文就是本着这一目标，用湍流模型来模拟换热器的壳侧和管侧 流场和温度场的分布。 3 2 湍流模式选择 3 21 湍流模式的研究进展“” 湍流是流体力学中的难题。虽经包括许多伟大学者在内的长达i 0 0 多年的顽强 努力，其基本机理至今仍未弄清。但是对于湍流的研究也取得了一定的进步“”。 湍流是一种高度复杂的三位非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流流体的各种 屋甲参数，如速度。压力、温度等都是随时间与空间发生随机变化，从屋黑结构 卜说，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些漩涡的大 小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定， 其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是 由粘性力所决定，其尺度可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动 的原因，大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋，较小尺度的涡旋破裂后形成更 小的涡旋。因而在冲锋发展的紊流区域内，流体涡旋的尺寸可在相当宽的范围内 连续地变化。大尺度地涡旋不断从主流获得能量，通过涡旋闻地相互作用，能量 逐渐相小尺度地涡旋传递，最后由于流体粘性作用，小尺度地涡旋不断消失，机 械能就转化( 或称耗散) 为流体地热能。同时，由于边界地作用，扰动及速度梯 度作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。由于流体内不同尺度涡旋 地随机运动造成了湍流地一个重要特点物理量的脉动。一般认为，无沧湍流 运动多么复杂，非稳态的n a y i e r s t o k e s 方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。 湍流的数值模拟是目前计算流体力学与计算传热学中困难最多因而研究最活 跃的领域之一。已经采用的数值计算方法可大致分为三类：直接模拟( d i r e c t h u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 大涡模拟( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 应用时 均方程模拟( r e y n o l d s a v e r a g ee q u a t i o n s ) 在这三类模式中，比较成熟的是应用 时均方程模拟( r e y n o l d s a v e r a g ee q u a t i o n s ) ，在这类方法中，将非稳态控制方 程对时间作平均，在所得出的关于时问物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的 时均值等未知量，于是所得方程的个数就小于未知量的个数。而且不可能依靠进 第四章纵流式换热器内的流动和换热 第四章纵流式换热器内的流动和换热 换热器分为管程和壳程两部分。纵流式换热器壳程结构不同与折流板式换 热器，壳程内的流动和换热特征发生了很大的变化。 4 1 流体在传热管内的流动和换热 管内的流动和换热紧密联系在一起的，不同的流态有不同的换热方式。本 文仅计算一种管程流速的情况，且流体处于旺盛湍流。 4 1 1 流体在管程内的流动 流体在管程内的流动，由管程入1 3 进入换热器的空腔1 中，由空腔1 进入 传热管，由传热管进入到空腔2 ，由管程出e l 流出。完成管程内流动。如图4 1 所示。管程入口速度8 m s ，在空腔l 中流速非常大，并且旋转进入传热管，如图 4 2 所示。传热管入1 3 是常见的尖角结构。管内入e l 段的流场分布如图4 - 2 所示。 图4 1 管程流场图 第四章纵流式换热器内的流动和换热 管程 口 y o z 切面图 i 棼j x o z 切面图 图4 2z = 一0 1 时进入传热管之前的流速图 图4 - 3 管程入口流场分布 流体由空腔1 进入传热管，传热管入口为通常工业设备中常见的失角入口a 管内流动分为入口段和稳定段，湍流的流动入口段长度尚没有一个令人满 意的普遍关系式，但可以肯定它与r e 数没有太密切的关系，而且比层流时短得 多，一般可按下式估计【2 ： 1 0 ( 妇d ) s6 0 3 0 0 0 r e d 曼5 x 1 0 6 ( 4 2 ) 本文所设计换热器中传热管一部分流体处于入口段，一部分处于充分发展段a 第四章纵流式换热器内的流动和换热 在入口段，管内流动不能达到稳定，即整个流动和换热过程都是在速度场与温 度场二者均在发展变化中进行的。 沿管程流动方向，在管程与壳程换热段，整体速度大小分布如图4 - 4 。在 此说明，本章中所有横轴是p o s i t i o n ，纵轴为速度( v e l o c i t ym a g n i t u d e ) 、努谢尔 数( s u r f a c en u s s e l tn u m b e r ) 、全压( t o t a lp r e s s u r e ) 、摩擦系数( s k i nf r i c t i o n c o e f f i e n t ) 都表示其中某一变量沿z 轴方向在所有数据。即，垂直于z 轴的一条 直线的变量值代表的是一个截面的变量值。管程的流动方向从右向左，图从右 向左看。 6 n e 口 。v e | o 。c r y g “焉稿3 0 口刚dl m sj 一日6 一5 5 一n 5 一4 5 。1 1 日一口3 s 一1 1 3 一2 5 一2 一口1 5 。口1 p o s 【t o n 【mj 4 1 2 管程换热计算 图4 4 管程流速分柿 在工程实际计算中，一般通过式( 4 - - 2 ) 大致推算入口段的长度，通过实 验关联式计算沿管程平均努谢尔数。然后再用入口段效应系数修f 。而通过数 值计算，入口段到出口段努谢尔数可以直接算出。 f