1、第一篇绪论第一章 绪 论1.1课题提出的背景及意义换热器是用来实现热量的传递，使热量由高温流体传给低温流体，是一种实现物料间热量传递的通用设备，在石油、化工、动力、核能等工业领域有较为广泛的应用1。有数据显示，在当今炼油化工厂中，各种不同类型的换热器大约占全部设备资金投入的40，其动力的消耗大约占到总体能量消耗比率的20%30% 2。介于换热器的地位如此重要，改善换热器的结构，提高换热器的换热性能对节约资源、降低能耗、减少成本有很大帮助。在二十世纪的早期，为了满足当时对大型换热设备的工业需要，而开发设计了最初的管壳式换热器3。经过近一百年左右的发展，其设计规范标准和生产加工方法都已经非常成熟，
2、可以很好地满足工业实际生产需要。其中最为著名的要数Bell-Delaware设计方法和Tinker教授的流路分析法4。现代工业常用的换热器，冷热两种流体一种在管内流动，一种在换热管与壳壁之间的壳程流动，冷、热流体通过换热管束来进行热量的相互交换，从而使冷流体温度升高，热流体温度降低，最终满足工艺过程的需要。在石油炼化等行业中经常使用的管壳式换热器，由于其构造相对简单，设计规范和制造工艺非常完善，适应性较强，安全可靠性高等特点逐渐在市场占据了主导性的地位56。为了增强换热器的传热效果，在壳程内部安装形状不同的折流挡板，折流挡板的存在不仅能够对换热管束起到支撑的作用，而且对改变壳程流体的流动状态，
3、提高换热器的换热效率起到较为关键的作用。折流挡板的形式多种多样，工业中经常使用的管壳式换热器，传统弓形折流板的应用最为普遍，其使用范围也比较广泛。本文以常用的管壳式换热器作为研究对象，在对几何模型进行假设简化的条件下，运用CFD软件Fluent对管壳式换热器壳程流动与传热进行了数值模拟。本文模拟研究的重点在换热管束的排列方式，以及折流板结构参数变化对换热器壳程流体介质流动与传热的影响。在换热器外部尺寸相同的情况下，通过对换热管束的排列方式，折流板间距和折流板窗口圆缺高度以及折流板厚度等的改变来进行分析。研究得到几种不同换热器结构下壳程流体的速度矢量场云图、压力场云图和温度场云图。并且得到壳程进
4、出口压降、换热系数、换热器性能系数随折流板间距或壳程流速变化的特性曲线。研究分析管壳式换热器的壳程流动与传热问题可有利于提高换热器的传热效率，降低能源消耗，对于减少成本投资，提高企业的经济效益具有重要意义，同时可为换热器理论设计研究作参考。1.2换热器简介1.2.1换热器的分类为了满足工业生产上的各种不同需求，出现了材质、工作条件和用途各不相同的换热设备类型，根据作用原理或传热方式不同，可将换热设备分为以下几种主要形式78。1.直接接触式换热器，此种类型换热设备又被称作为混合式换热器，它是利用冷流体与热流体二者之间相互接触，彼此间相互混合进而使热量得以交换的换热器。如冷却器、冷却塔、冷凝器等。
5、此类型换热器单位容积能够提供的换热面积大、换热效率比较高、整体设备结构也相对简单、制造成本较低。但使用场合较窄，只有在工艺上允许两种流体相互混合的情况下才能使用。 2.蓄热式换热器，此种类型换热设备又被称为回热式换热器，蓄热式换热器通过基质或填料等介质的短暂能量储存，把热量从一种流体传递给另外一种流体。蓄热式换热器单位体积换热面大、制造成本不高、结构较为紧凑，比较适合于两交换介质均为气体的热交换情况。如固定床蓄热式换热器、回转形式的空气预热器等。3.间壁式换热器，此种类型换热设备又被称为表面式换热器。这种类型换热器通过自身的间壁将进行换热的冷流体与热流体相互隔离开来，两种流体互不接触，相互之间
6、也不干扰，通过间壁将热流体的热量交换给冷流体的换热器。间壁式换热器是实际生产中使用最为广泛的换热设备，它的型式有很多种，如最常见的管壳式换热器、夹套式换热器、板式换热器等。4.中间载热体式换热器，此种类型换热设备是将两个间壁式换热器通过在其中不断循环的载热体而彼此连接起来的换热器。由于载热体在低、高温两种换热器间来回循环，将高温流体的热量逐渐传递给低温流体，从而使高温流体温度降低，低温流体温度升高，如热管式换热器等。1.2.2管壳式换热器管壳式换热器是间壁式换热器中最普遍的一种换热设备，介于它的使用范围非常广而且其结构型式也很多，管壳式换热器大体上可以分为以下几种类型：U型管式换热器、固定管板
7、式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器9。它们有一个共同的结构特点，那就是都有金属圆形的壳体，壳体内部安装排放整齐的换热管束，所谓的管程就是流体流介质经换热管内的通道，流体介质流经壳体内壁与换热管外壁之间的通道称之为壳程。冷流体与热流体主要通过换热管外壁面来进行热量的交换。一、U型管式换热器下图1.1所示为U型管式换热器的通用结构模型。此类换热器结构特点：仅有一块管板。许多U型管束整齐排放组成了换热管束，所有U型换热管的两端全部都安装在一块管板上，换热管能够自由的移动，因此，可以不必考虑热应力对换热器产生的影响，其热补偿能力非常好。制造工艺比较简单，能承受较高的压力，成本较低是U型管式换热器的
8、优点，比较适用于换热管壁与壳壁间温度差较大或者壳程流体易结垢并且需要清洗，但又适合采用其他换热设备的场合。图1.1U型管式换热器二、固定管板式换热器所谓的固定管板式换热器就是换热器两端有两块固定管板，管板和壳体用焊接的方法安装在一起。其代表性结构型式如下图1.2所示，此种类型的换热器结构相对简单，当换热器壳体直径相同时，它的换热管排布数量最多，其结构非常紧凑，适应性比较强。换热管束被两固定管板固定支承，使换热器更加稳定，振动幅度较小，任意换热管都可以被清洗，但是壳程很难被拆卸清洁。所以壳程通道适宜走清洁干净、难于结垢的介质。如果换热器壳体与换热管温度或材料自身的线膨胀系数彼此间差距相对较大时，
9、换热器壳体与换热管束之间就会产生一定大小的热应力，因此为了减小热应力的破坏，一般都安装挠性管板和膨胀节等配套元件，但温差热应力只能被降低不能够被完全吸收。所以当温差相差较大时，此种类型换热器将不能适用。图1.2 固定管板式换热器三、浮头式换热器下图1.3所示为浮头式换热器常见结构型式，换热器的两个管板仅有一个和壳体固定焊接在一起，另外一个管板可以相对壳体往复的移动，被称作为浮头。此种类型换热器的壳体与换热管束对热应力作用的影响是可变的，因此，当两种流体的温度差相差较大时，温差应力也不会对换热器产生很大破坏。浮头是可以拆卸的，便于换热管的清洁和维护修理。浮头式换热器比较适用于管壁与壳壁之间温度相
10、差较大，流体介质易于结构和腐蚀的情况。图1.3浮头式换热器四、填料函式换热器下图1.4所示为填料函式换热器的普遍结构型式。此种类型换热器和浮头式换热器的结构十分相似，换热器的浮头裸露在壳体外侧，浮头和壳体相互接触的表面处用填料函来密封。当流体介质腐蚀性强、温度差相差较大且需要经常更换换热管时，应用填料函式换热器比其他类型换热设备的换热效果强很多。目前工厂中使用的填料函式换热器直径都相对较小，一般直径都小于700mm，在操作压力和温度较高的条件下，大直径填料函式换热器的使用情况就加更少了。图1.4 填料函式换热器1.2.3换热器的发展方向换热器的种类多种多样，但管壳式换热设备在化工、石油化工生产
11、中占据主导地位，特别是在介质有腐蚀性或高温场合的作业中更能突显出其优势。管壳式换热器具有安全可靠性高、能适合多种场合等优点，被最为广泛地应用到各工业领域。最近几年，虽然受到了另一些新类型换热器的挑战，但因此也促进了其本身的发展与进步。当今，换热器正朝着大型化和高参数的情况发展，但管壳式换热器仍为研究重点。全球范围内各国在对提高此种类型换热器性能所展开的分析研究中，最主要的还是强化传热技术，适应高参数与各种有腐蚀物料的耐腐蚀性材料，以及为大型化发展所作的结构改进1011。能源短缺是21世纪面临的最大挑战之一，越来越的人已经关注传热技术的发展。为了节约资源和能源，以适应时代的要求，需要开发一种低成
12、本，高效能的换热设备，即使在环境温度变化较小时，也可以获得大的高效传热表面的热通量。未来几年，应该研制用尽量小的温度差，较小的换热面积来输送相同多热量的换热设备“高效能换热器”12。“高效能换热器”的结构将会较为复杂，需要较为高级的设计与分析技术。运用数值模拟方法来研究换热器的传热已经成为一种新的研究方向，特别是在换热器的壳程流体与传热问题方面。1.3管壳式换热器强化传热技术在单位时间内，使换热设备在单位传热面积上能够传递的热量尽可能多，被称之为强化传热。强化传热技术能够通过提高热量传递的速率来很好的改善换热器的传热性能，从而用最低的成本完成传递额定热量的目的1314。强化传热技术主要是通过改
13、变换热设备传热过程中的多种影响因子，从而达到使换热设备在单位换热面积基础之上单位时间内能交换更多的热量1516。换热器强化传热的目的主要有：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目的；尽可能的缩小换热设备的体积，减少传热面面积，从而达到节省材料的目的；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。实现对换热设备的强化传热，要同时达到上述所有的目的是非常困难的，因为这些目的和实现过程中的条件是相互制约着的，只能达到其中的一个或几个，不能同时达到。所以我们要明确对换热器强化传热的
14、主要目的，之后通过分析研究，选择一种较为合适的传热方法。由公式可知，要实现换热器的强化传热过程，可以通过增大传热面面积（A）、增大传热平均温差（）和提高传热系数（K）值等几种方法来实现。1.增大传热面面积增大传热面面积是实现换热器强化传热一种非常有效的途径。延伸表面传热面或采用较小直径换热管二者都可以增大传热面面积。换热管的管径越小，其耐压性能也就越高，在相同的重量下，换热管束的总体表面积则会越大。延伸表面传热面，能够增大传热面面积和提高传热系数K值，但反过来会引起壳程压降过大等一系列负面影响1718。2.增大换热平均温度差实现增大换热平均温度差的途径主要有以下两种：第一种方法就是在冷、热流体
15、介质进出口的温度保持恒定的情况下，改变换热器内传热面积的分布来影响换热器的平均传热温度差。可以应用换热网络技术，冷流体和热流体之间最好保持逆流流动等；第二种方法就是尽量使冷流体与热流体的进出口温度差相差较大以此来增大换热平均温度差1920。但是一般情况下，设计换热器时冷、热流体的进出口温差已经确定，不可以轻易改变，所以此种方法的适用范围比较狭窄。3.提高换热系数K值提高换热器的换热系数K值来实现换热量的增加，是强化传热的重要一步，当然也是广大学者研究开发强化传热技术的重点之一。重点是强化换热器壳程与管程的换热面积从而达到预期目标。如果在换热面积与换热平均温差一定的情况下，根据公式推导可以看出，
16、要想提高换热设备的传热性能，只能通过增大换热系数K值来得以实现。当前，要想增强换热设备的换热性能，实现强化换热，可以通过以下几种途径来达到目的：首先可以改变换热管束的支撑方式，使壳程流体的流动分布更加合理，如改变折流挡板的间距与高度来增强换热器的换热效果；可以改变换热部件自身外表面的构造形式以及改变对外表面的加工方法，这样可以得到延伸表面和较为粗糙的外表面；可以通过增加内插物，使流体介质自身的绕流更加剧烈；可以把换热管束的内外表面全部都制造成各种不同的形状，这样将同时增强换热管束内部和外部流体介质的湍流流动，从而实现增强换热器的换热效果的目的。对换热器的强化传热技术要整体的衡量，绝不能片面考虑
17、，原因在于提高流体介质的流动速度，增强介质的扰动程度的情况下，一定会伴随着阻力损耗的增加，从而导致换热设备的综合性能下降，因此当选择强化措施时，应该对整个系统的设备构造、工艺过程、动力耗能、制造安装、检修操作维护费用等进行全面衡量，这样可以得到最为经济合理的改进方案。传统意义上的强化单相对流换热机理可以归纳为以下几种21:(1)增加流体扰动的程度；(2)减薄热边界层22；(3)提高壳体和管壁壁面附近流体介质的速度梯度。通过改变换热管束壁面的几何形状、增加对流换热系数值（只考虑流体介质和换热壁面的特征温度差、流体介质的流速对换热系数的影响）等方法，最终达到强化传热的目的。根据强化对流换热“场协同
18、” 原理2324，对流传热可以被看作为具有内部热源的导热问题，其理论认为换热器的对流换热效果好坏，不只是由流体介质的物理性质、流速、固体壳壁与流体介质的温度差所决定的，流体介质的热流场与流体的速度场二者之间的协同程度也一定要被同时考虑，当流体介质的温度边界条件与流体速度边界条件相同时，二者的协调同步的程度越好，那么换热器自身的换热性能自然也越好。以上阐述了换热设备强化传热的原理，运用上述方法对换热器进行强化传热在实际生产中随处可见。由于要同时实现全部传热方法几乎不可能，所以多数情况下只采用其中的一条或几条途径来实现传热目的。目前，有源强化与无源强化是工程上普遍使用的强化换热方法，具体方法分类如
19、表1.1所示25。表1.1 强化换热方法的分类有源强化运用特点无缘强化运用特点机械搅动各种形式的搅拌器处理表面对传热表面进行机械加工或图层（例如开槽）传热表面振动用低或高的频率来震动传热表面（一般用于提高单相流的传热）粗糙表面包括从随机的砂砾型粗糙度到不连续的突起物等许多构造形式所构成的粗糙表面流体震动震动范围有1Hz脉动到超音速，最初用于单相流扩展表面包括管内和管外的扩展表面，如管外翅片电磁场作用对电介质施加作用，是换热表面附近产生较大的流体主题混合扰流元件包括轧槽管、针肋、螺旋肋、重复肋和沟槽射流冲击通过圆形或狭缝型喷嘴直接喷射到固体表面涡流装置在管内插入金属网、扭曲带、静态混合器、环、盘
20、等元件虹吸核态或膜状沸腾中，通过换热器表面小孔将蒸汽吸走，或在单相流中通过换热表面的小孔将流体引入添加物液流中的添加物、气-固两相流中的固体颗粒和气泡，以及沸腾系统中的微量液体添加物1.4换热器的壳程流场研究流体在换热器壳程内流动是非常复杂的，所以用实验的方法来观察壳程流体介质流动情况并准确无误的记录流体湍流流动下的数据是相当有难度的，虽然实验所建立的模型一般都不会很大，但其价格昂贵，成本较高。而且受到技术和经济等一系列条件所限，运用实验的方法对换热设备壳程流体流动特性的分析成果并不是很多，研究结果也不够深入全面2627。在1957年，Gupta教授和 Katz教授两位学者在由玻璃材质制造而成
21、的换热器中，第一次使用示踪颗粒大致描绘了换热器壳程流动情况。1984年，Berner教授在没有换热管束的有机玻璃换热器壳体内，通过在流体中注入铝示踪球和示踪颗粒的手段观察了流体介质流过折流板时的情形。1993年LE Hasler教授陈述了应用传导感应压力管与神经密度粒子等技术来测量记录弓形折流板换热器管束间流体介质的叉流流速分布与壳程进出口压降值，为以后计算机数值模拟打下了一定基础。1993年，T Pekdemir等人对一个真实大小的有机玻璃材质换热器进行了壳程流体流动与进出口压力降的实验分析研究。本次实验使用直径为0.50mm 大小的塑料材质小球作为流动示踪球，并用一千张每秒高转速录像机来记
22、录流体的流动状态，最后使用测压管等测量工具和其他技术手段来测取壳程压力的分布情况。实验结果表明，壳程流体介质的流动阻力大小会随着流体介质的雷诺数的变化而剧烈变化，直边折流板数量的增多等同于雷诺数的提高；流体介质中心地带的压力要大于流体介质逼近换热器壳体附近的压力。1996年D Kral教授等人用实验的手段分析了不同尺寸大小和形状异样的螺旋型折流板换热器的换热性能，并研究讨论了其在工业上应用的前景。2003年，邓斌与陶文铨教授等人在我国某重点大学的实验室内，对常见的管壳式换热器进行了冷态实验，研究发现，管壳式换热器的壳程压力的分布情况以及壳程进出口压降的实验结果与理论计算值吻合比较好，实验所得数
23、值与理论计算数值之间的最大偏差不超过20%。由于换热器壳程流体流动较为复杂，实验成本较高，技术条件还有待提高。当前，对换热器壳程流体介质流动的分析大体还处于计算机数值模拟模拟的层次28，因此，许多换热器数值模拟的分析成果，用实验方法来验证还比较困难，只能查阅相关文献和运用经验值。21世纪计算机技术发展迅猛，计算机的发展带动了计算传热学(NHT)与计算流体动力学(CFD)的进步，对流体介质流动与传热进行数值模拟作为一种非常实用的分析途径开始被广大学者所熟知，此种研究方法在换热器壳程分析中也非常适用，并逐渐得到越来越多的学者认可。1974年，国外Spalding和Patankar两位教授首次阐述使
24、用多孔介质模型来对换热设备进行简化处理并对其进行数值模拟的分析方法2930：把换热器壳程的许多部件，例如折流挡板、换热管束等都被看作多孔介质，并且用体积多孔度的思想来代表换热器壳体内部元件所占据的比重。运用分布阻力的思想来处理折流挡板、换热管束等换热器内部元件对换热器自身壳程和管程流体介质流动和传热的影响。假定换热器内部元件对流体介质的阻碍作用大大超出流体自身所具有的粘性力。因此在后期的计算求解时不考虑流体本身的粘性阻力作用，使求解过程简化。二位教授的研究成果非常重要，为后来学者们对换热设备的数值模拟提供借鉴和理论依据。1982年，Sha. Yang教授应用多孔介质模型对蒸发器结构进行了相关的
25、数值模拟，然后将计算结果与试验数据对比分析。由于考虑了换热管束间流体流动的特点，在体积多孔度的概念上，又总结出了表面渗透度思想。数值模拟的分析结果与实验所得结果相对比，吻合效果较好31。1999年，王定标教授运用相似理论构建换热器的几何模型，使用8节点和12节点三维单元及其对应的函数，通过有限元的理论对离散格式进行完善，运用算子分裂理论对换热器数值模拟的收敛性进行完善，模型的求解计算设置使用牛顿拉斐逊的逐步迭代法，最终编制出HEFLOW程序 3233。黄兴华教授等学者运用多孔介质模型对管壳式换热器进行数值模拟分析，计算求解纳维-斯托克斯方程组，得到换热器壳程内部流体介质流动与传热的特点及其性质
26、。在数值模拟分析中，顾及到换热管束对紊流作用的影响，选则使用修正的模型。将数值模拟计算结果与试验数据结论对照，二者的数值偏差不大，模拟效果较好34。邓斌等学者运用计算流体力学软件对螺旋折流板式换热器在流体流量数值较低的条件下，分析了其壳程流体介质流动阻力损耗的程度35，同样运用多孔介质模型36、交错网格等技术手段，数值模拟了螺旋型折流板式换热器的壳程流体介质的流动情况37 。数值模拟所得结论和试验所得数据结论基本一致。从以上学者的研究成果可以看出，应用CFD等计算流体力学软件对换热设备进行计算模拟分析，得到流体介质在换热设备壳程内速度矢量场、压力场、温度场分布以及壳程换热系数与壳程进出口压降的
27、比值变化曲线，不仅能够很好地分析换热器的传热情况，提高换热效果，而且可以弥补在实验室实验条件不足的情况下，也能够提高研究的经济性，因此运用数值模拟方法研究换热器壳程流体介质流动与传热得到了越来越广泛的应用。当前，运用数值模拟的方法研究换热器壳程流场的国内外学者越来越多，所运用的流场模拟软件也多种多样。其中理论较为成熟的PHOENICS分析软件能够较好的计算模拟求解三维层流或者湍流、流体介质的单相流或者多相流、稳态或者瞬态等问题的传热与流动的情形，但其软件本身也是有一定的条件限制，并不是对所有的流动都适用。运用计算机、数学模型和计算流体力学原理知识来开发实用性更强、计算效果更加准确的换热器壳程流
28、场模拟软件是迫不及待的，其重点应解决如下问题：1.运用计算流体力学软件模拟分析能够较为准确的获得换热设备在不同单相换热时，壳程流体介质的速度分布情况、温度渐变的分布以及组分浓度等变化情况，能够计算出换热器壳程各部位的换热系数大小与压降值。2.运用软件数值模拟，可以获得换热器在特定工况下，当换热效果最优时换热器的结构参数，而不是特定结构下换热器的最好换热性能。3.当换热设备的壳程有相变时，必须准确描述流体介质的流型，继而由流型来选择模拟所需的模型。可以较为细致的预测换热器壳程各个部分的冷凝率，换热器的换热系数和淹没效应等的内部关系，这样可以使冷凝器在设计条件下工作效率提升到最高值。除此之外，换热
29、设备流体介质的流场参数测量也是值得发展的方面，可以运用仪器对工厂中的设备尤其是对换热器换热管束间流体介质的压降、温度及流体速度等参数进行测量，从而来验证理论模拟的正确性。对换热器的流场参数的测定有以下几点工作要做：1.研究发展新类型的换热器流场测量仪器 如今市场上换热器流场的测量设备价钱非常高，而且使用过程特别繁琐，获得的结果精度也偏低，需要研发出成本较低、能达到较高精度的测量仪器。2.研究发展新型测量技术 当下对单相流场的测量手段有许多，如多谱勒转速测量仪等设备，可是对于两相流场换热管束之间的较多相速冷凝率等的测量技术还有待于进一步完善。1.5本文的研究内容本文以传统的管壳式换热器为研究对象
30、，通过分析、借鉴国内外管壳式换热器壳程结构对流体流动和传热影响的设计理论及方法，采用计算流体力学Fluent软件对管壳式换热器的壳程流体介质的流动与传热情况进行计算机数值模拟，主要包含以下几点内容：（1）对管壳式换热器的壳程结构进行研究和分析，根据换热管排布不同，建立四种不同排列的换热器模型，并对其速度矢量场、压力场和温度场特性进行对比分析。（2）对传统管壳式换热器的壳程流体介质的流动与传热进行计算机数值模拟分析，分析研究折流板间距变化、折流板窗口高度变化以及折流板厚度变化下壳程流场、温度场、压力场特性，并得出壳程进出口压降、换热系数及换热器性能曲线图。1.6本章小结本章主要对换热器分类、结构及发展方向做了简明的阐述，并重点对管壳式换热器作了较为详细介绍。对换热器的强化传热的场协同原理和传热方法进行讨论，最后叙述管壳式换热器壳程数值模拟的国内外研究现状及今后换热器壳程数值模拟的研究方向，总结前人研究经验提出本文研究内容。
