管壳式换热器的改进设计最全word资料.docx

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管壳式换热器的改进设计最全word资料

1管壳式换热器流动及传热的数值模拟

尤琳,山东豪迈化工技术

摘 要:

本文以管壳式换热器为例,辅以有限元软件进行流场模拟,通过合理简

化模型和设置合理的进出口边界条件,对流体的流动和传热进行数值模拟,得到

相应的速度、压力、温度分布云图,对管壳式换热器的设计和改进有一定的参考

价值。

引言

换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多

工业部门广泛使用的一种通用工艺设备。

在化工厂中,换热器的约占总

的10%~20%;在炼油厂中,该项约占总的35%~40%。

换热器不仅能够

合理调节工艺介质的温度以满足工艺流程的需要,也是余热、废热回收利用的有

效装置。

鉴于换热器在工业生产中的重要作用及其能耗较大的现状,改进和提高

换热器的性能及传热效率成为节能降耗的重要途径,将产生重要的经济效益和社

会效益。

1换热器介绍

1.1换热器分类

适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器,结构形式也不

同,按照传热原理分类,可分为:

间壁式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接

式换热器、直接接触式换热器、复式换热器;按照用途分类,包括:

加热器、预

热器、过热器、蒸发器;按照结构分,可分为浮头式换热器、固定管板式换热器、

U形管板换热器、板式换热器等。

间壁式换热器举例

蓄热式换热器举例

直接接触式换热器举例

1.2换热器研究及发展动向

（1物性模拟研究

换热器传热与流体流动计算的准确性,取决于物性模拟的准确性。

因此,物性模拟一直为传热界重点研究课题之一,特别是两相流物性的模拟,这恰恰是与实际工况差别的体现。

实验室模拟实际工况很复杂,准确性主要体现与实际工况的差别。

纯组分介质的物性数据基本上准确,但油气组成物的数据就与实际工况相差较大,特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。

为此,要求物性模拟在试验手段上更加先进,测试的准确率更高。

从而使换热器计算更精确,材料更节省。

物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

（2分析设计的研究

分析设计是近代发展的一门新兴科学,ANSYS软件技术一直处于国际领先技术,通过分析设计可以得到流体的流动分布场,也可以将温度场模拟出来,这无疑给流动分析法技术带来发展,同时也给常规强度计算带来更准确,更便捷的手段。

在超常规强度计算中,可模拟出应力的分布图,使常规方法无法得到的计算结果能方便、便捷、准确地得到,使换热器更加安全可靠。

这一技术随着计算机应用的发展,将带来技术水平的飞跃。

将会逐步取代强度试验,摆脱实验室繁重的劳动强度。

（3大型化及能耗研究

2

3换热器将随着装置的大型化而大型化,直径将超过5m,传热面积将达到单

位10000m2,紧凑型换热器将越来越受欢迎。

板壳式换热器,折流杆换热器,

板翅式换热器,板式空冷器将得到发展,振动损失将逐步克服,高温,高压,安

全,可靠的换热器结构朝着结构简单,制造方便,重量轻发展。

随着全球水资源

的紧张,循环水将被新的冷却介质取代,循环将被新型,高效的空冷器所取代。

保温绝热技术发展,热量损失将减少到目前的50%一下。

（4强化技术研究

各种新型,高效换热器将逐步取代现有常规产品。

电场动力效应强化换热技

术,添加物强化沸腾传热技术,通入惰性气体强化传热技术,添加物强化沸腾传

热技术,微生物传热技术,磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。

同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度

换热器、微通道换热器、硫化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域

得到研究和应用。

（5新材料研究

材料将朝着强度高,制造工艺简单,防腐效果好,重量轻的方向发展。

随着

稀有金属价格的下降,钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大,CrMo钢材料将实

现不预热和后热的方向发展。

（6控制结垢及腐蚀的研究

国内污垢数据基本上是20世纪60~70年代从国外照搬而来。

四十年来,污

垢研究技术发展缓慢。

随着节能,增效要求的提高,污垢研究将会受到国家的重

视和投入。

通过对污垢形成的机理,生长速度,影响因素的研究,预测污垢曲线,

从而控制结垢,这对传热效率的提高将带来重大的突破。

保证装置低能耗,长周

期的运行,超声防垢技术将得到大力发展。

2换热器数值模拟

本文以管壳式换热器为例,通过workbenchfluent软件进行流体流动和传热

的模拟计算,以准确地预测管壳式换热器壳程流动、传热热性,以实现设计高效

可靠的换热器及评价和改造现有换热器的性能。

2.1问题描述

研究对象为一润滑油冷却器,壳程为润滑油,管程为冷却水,冷却器总长为

0.92m,筒体直径为0.207m,管程数为2,壳程数为1,流动形态为逆流,换热

器主要几何尺寸和相关物性参数见下表。

传热面积S/m壳体内径

换热器管程数/壳程/管程接换热管管换热管总

壁厚/m料列方式

数距B/m

山东豪迈化工技术4

介质进出口温度T/℃质量流量操作压力密度比热容动力粘度η/Pas运动粘度热导率λ/

2.2几何模型

用于有限元分析的换热器的几何模型包括壳程流体,管程流体以及传热元件

换热管;固体部分如管板、筒体、水盖等部分均忽略,如下:

换热器三维模型

2.3网格划分

在ANSYSWorkbench软件中,采用四面体的非结构性网格对换热器进行网

格划分,并对管程和壳程的流体进出处的网格采用refinement命令进行局部加密。

整个模型共有节点Node1204955个,单元Element5038668个,有限元模型网格

划分见下图。

山东豪迈化工技术

2.4边界条件设定

本文中的流体均为不可压缩流体,采用基于压力求解器（pressurebasedsolver,三维空间（3D,单精度,定常流动,绝对速度。

因涉及传热计算,故打开能量方程。

根据模型条件计算雷诺数,管壳程流体流动可达到过渡流或湍流,湍流粘性采用k-Epsilon（2eqn模型,近壁面采用标准壁面函数（standardwallfunctions,压力和速度解耦采用SIMPLE算法（semiimplicitmethodforpressurelinkedequation,动量、能量及湍流参量的求解采用二阶迎风格式。

亚松弛因子等均按默认设置。

计算流体采用速度入口条件,给定流体流速、温度及相应的湍流条件。

2.5结果与讨论

经ANSYSworkbenchFluent软件竖直模拟后得到单弓形折流板换热器流体速度、温度、压力云图:

换热器的壳程和管程的整体压力降都不是很大,壳程压力降的梯度较管程更明显;壳程流场的总压力分布,沿着流动方向整体呈总体下降趋势。

流体在接管和筒体衔接处产生较大的压力,单弓形折流板的圆缺处也有明显压降,每两块折流板间的较大区域内的压降相对较小。

5

山东豪迈化工技术压力分布云图壳程流体速度分布呈现周期性改变，即呈整体的“Z”型流动，这主要是由于单弓形折流板的存在，并且在每一块折流板的圆缺处附近，流体的速度都有一个相对增加的区域，该区域速度值较大，并且完成了速度方向的改变。

另外，距离入口最近的两个圆柱的迎流区，速度逐渐减小，直至圆柱体表面形成流动驻点，该驻点的速度最低。

在两个圆柱体中间部分，由于流通区域逐渐变小，使得速度提高，根据伯努力方程，压力逐渐降低。

圆柱体周围速度明显低于周围流体，但变化率有很大的一个薄层，即速度边界层。

管壳程流体从进口到出口的流线图能清晰地描述流体的流动轨迹。

6

山东豪迈化工技术速度矢量图流线图管程温度变化较小，高温区域主要集中在与壳程流体进口端较近的部分管束，壳程温度则受到折流板的影响，沿流向“Z”型逐渐减小，且温度的下降幅度逐渐变小。

温度梯度的较大区域仍为入口端，此区域的换热较强烈。

7

山东豪迈化工技术温度分布云图采用数值模拟计算方法和FLUENT软件相结合的方法对管壳式换热器进行速度场、温度场和压力场的模拟，得出各种流场在不同情况下的分布情况，这些细节信息是用实验方法无法得到的，揭示了折流板对换热器壳程局部流场和温度场的影响作用，也为管壳式换热器结构优化提供参考依据。

参考文献：

[1]陈昌，钱作勤.基于FLUENT的管壳式换热器流体流动与共轭传热模拟，中国科技论文在线.2020.[2]张之东.管壳式换热器内部三维流场数值模拟,河北科技大学,2020.[3]刘磊，宋天民，管建军.基于FLUENT的管壳式换热器壳程流场数值模拟与分析，轻工机械.2020.[4]孟鑫.基于Fluent的换热器流场模拟.河北工程学院,2020.[5]周俊杰.Fluent工程技术与实例分析，中国水利水电出版社,2020.8

管壳式换热器壳程高黏度流体的传热强化

朱冬生，蒋翔

（华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，化工与能源学院，广东广州510640）

关键词：

管壳式换热器；高黏度流体；螺旋折流板；梯形翅片管；强化传热

Enhancedheattransferinvestigationonhighviscosityfluidinshell-and-tubeexchanger

ZHUDongsbeng,JIANGXiang

（KeyLaboratoryofEnhancedHeatTransfer&EnergyConseruation,SchoolofChemicalandEnergyEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China）

Abstract:

Itisakeyfactortoincreaseheattransfercoefficientofhighviscosityfluidintheshellsideformakingahighperformancecooler.Theheattransferandflowresistanceperformanceoftrapezoidfintubehighviscosityfluidcoolerwithhelicalorsegmentalbaffleswerestudied,andcomparedwiththeheattransfercoefficientoflow-fin-tubecoolerwithsegmentalbaffles.Experimentalresultsindicatedthatheattransferfilmcoefficientintheshellsideoftrapezoidfintubecoolerwithentirehelicalbaffleswas60%morehigherthanthatoflow-fin-tubecoolerwithsegmentalbaffles,andpressuredropwaslowerby40%.Heattransferfilmcoefficientintheshellsideoftrapezoidfintubecoolerwithentirehelicalbaffleswas20%morehigherthanthatoftrapezoid-fintubecoolerwithsegmentalbaffles,andpressuredropwaslowerby50%.Heattransferfilmcoefficientintheshellsideoftrapezoidfintubecoolerwithentirehelicalbaffleswas10%higherthanthatoftrapezoidfintubecoolerwithsectionalhelicalbaffles,andpressuredropwaslowerby19%.Heattransferfilmcoefficientintheshellsideoftrapezoidfintubecoolerwithsegmentalbaffleswas30%morehigherthanthatoflow-fin-tubecoolerwithsegmentalbaffles,andpressuredropremainedunchanged.

Keywords:

shell-and-tubeexchanger;highviscosityfluid;helicalbaffles;trapezoidfintube;heattransferenhancement

引言

传统的管壳式高黏度流体换热器采用光滑管设计制造，其壳程传热及流动效能低，壳程传热阻力占总热阻的80%以上，且流动阻力损失较大，提高壳程流体的传热膜系数和降低流动阻力是提高高黏度流体换热器效能的技术关键[1]．螺旋折流板是一种传热及流阻性能优良的支撑结构，王良等[2]研究发现，螺旋折流板对高、低黏度流体的传热强化均适合，陈世醒等[3]研究发现，对于高黏度流体，相同流量下单位压降的壳程对流传热膜系数，螺旋折流板约为弓形折流板的1.5倍．Lutcha等[4]系统地对不同螺旋角的换热器性能进行了研究，认为螺旋角为40°时换热器的传热与流阻性能最优，由于加工的困难，螺旋折流板一般采用铜作为材质，设计思想是将折流板分成4块，形成螺旋流道[5]，分块螺旋折流板虽然容易制造，但壳程相邻折流板间存在三角死区，流体流向仍为横纵向混合流，安装、运输及使用场合受到限制，克服上述缺点和困难，设计制造了钢质整体螺旋折流板．

Bergles[6]认为，管壳式换热器的强化传热应该是传热管表面及支撑结构的配合强化，低肋管曾在流体换热中得到广泛应用．邓先和[7]、张正国等[8]在螺旋折流板换热器中采用了花瓣管，其传热效能比光滑管和低肋管有明显提高，由于花瓣管结构特殊，要求用于加工管子的材质为软金属铜，管材成本高，工业应用有一定的局限性，为此文中采用了带有周向宽三维翅片的梯形翅片管，它是一种新型的传热性能优良的强化管型，是在平翅管基础上发展的一种异形扩展表面．

本文对螺旋折流板梯形翅片管高黏度流体换热器的性能进行了研究，并与弓形折流板低肋管换热器进行比较，折流板与强化管均采用钢质整体制造技术，大大降低了材料成本，以坯管计算的单台换热器换热面积达45m2，其结果既可作为中试基础数据，也能直接应用于工业生产中．

1试验设计

高黏度流体换热器性能试验系统如图1所示，螺旋折流板换热器结构如图2所示，试验中采用黏度0.03～0.05Pa·s的润滑油作为壳程流体，由于油用量较大，因此油需在油箱中加热到预定温度，然后经油泵由蒸汽加热后进入油换热器壳程冷却，再返回油箱构成循环，油流量通过变频油泵控制，油温通过蒸汽量来控制，来自水箱的冷却水经水泵送入油换热器的管程，与管外油换热后流回冷却塔，水箱设有浮球进水阀及排水阀调节水量，

油和水的流量由变频油泵及水泵控制，通过涡轮流量传感器由微机测量和显示，测量精度为1%;油换热器的进出口油温和水温是由铜一康铜热电偶测量后，通过温度传感器由微机进行测量和显示，测量精度为0.1℃；根据压力表的读数可得到壳程油侧压降，测量精度为0.01kPa.所有测试仪器均经过校核．

试验采用了4台换热器，弓形折流板低肋管换热器1、弓形折流板梯形翅片管换热器2、分块螺旋折流板梯形翅片管换热器3和整体螺旋折流板梯形翅片管换热器4．试验用螺旋折流板梯形翅片管制造及检验均符合国家标准规定，上述4种换热器型式均为1-2型，材质均为不锈钢，传热管坯管规格均为+12mm×2mm，长4m，数量298根，管间距16mm，壳体内径均为300mm，螺旋折流板螺距160mm.梯形翅片管的P/do为0.100，h/do为0.083，t/do为0.050．

1-oilcooler；2-freshwater；

3-oilinletoftank；

4-oiltank；5-drainwater；

6,9-pump；7-oilinlet；

8-heater；lO-oilcycle；

11-oiloutlet；12-support

Fig.1Schemeofexperimentalsetup

2试验数据处理方法

由于试验中水温及油温变化不超过20℃，因此水和油的定性温度均采用对数平均温差计算，各准数的计算中，为统一比较标准，取当量直径De为

（1）

壳程流速根据油流过管间最大截面积计算

（2）

在润滑油换热器的校核试验中，经过多次测量，测得热平衡偏差均在5%以内，对于总传热系数，试验数据误差不超过4%，对壳侧传热膜系数，误差不大于10%，对壳侧压降，误差不超过8%，这是完全符合试验可信度及工程要求的．

在测得油冷器总传热系数K后，管内传热膜系数αi由Dittuw和Boelter关联式计算，由于试验所用油冷器较新，所以取总污垢热阻为0.0002，管壁热阻Rw按钢材计算，由上述方法即可得到壳程传热膜系数αo．

对于管壳式换热器，壳程流动阻力计算比较复杂，影响因素很多，包括传热管型式和排列方式，折流板型式和布置方式，其他支撑部件的型式与布置方式，油与水进出口大小、位置和进出方式以及加工精度等[9]．由于目前对螺旋折流板梯形翅片管换热器的研究并不成熟，如将压力降转换为阻力系数，数据处理偏差较大，因此本文采取了直接用压降的方法来表征其阻力性能．

一台换热设备的好坏，主要表现为其传热及流阻性能，为此，本文采用单位压降的壳程传热膜系数对4种型式换热器的综合性能进行评价．

3试验结果与分析

3.1壳侧传热膜系数与流速的关系

图3表示壳侧润滑油不同流速时4种换热器的壳侧传热膜系数．试验结果表明，在低流速下，3号、4号换热器的壳程传热膜系数略低于2号换热器，当油流速增加到一定程度时，在相同流速下，3号、4号换热器的壳程传热膜系数高于2号换热器，4号比1号换热器传热膜系数提高可达60%以上，且随着油流速的增大，传热膜系数提高的幅度也增大．这是由于在油流速较小的情况下，螺旋折流板还无法形成理想的柱塞流，而其对油的扰动程度不及弓形折流板，因此其传热膜系数小于弓形折流板，随着油流速的增大，润滑油流体在壳侧呈柱塞状流动，同时旁路有害流减少，增强了润滑油流体的换热效率．试验结果同时表明，在相同油流速下，4号比3号换热器的壳侧传热膜系数提高10%左右，这说明整体连续螺旋比分块螺旋更能形成理想的柱塞流，消除有害流动．试验结果还表明，2号比1号换热器的壳侧传热膜系数高14%～36%，说明梯形翅片管的传热性能优于低肋管．这是由于润滑油在低肋管表面的轴向流动，流体不能很好地进入到翅片根部，因而传热膜系数较小，而梯形翅片管表面有特殊的三维翅片结构，能将流体边界层不断地分离，同时能够很大程度地激发流体的湍动，从而减薄边界层厚度，达到提高传热膜系数的目的[10]．

Fig.3Relationbetweenαoandvelocity

据试验数据，采用最小二乘法将传热性能最优的整体螺旋折流板梯形翅片管换热器的壳侧传热性能的准数关系回归为

（3）

式（3）的试验范围为Re-150～1000，Pr=250～450．

3.2壳侧流动阻力与流速的关系

图4表示壳侧润滑油压降与流速的关系，油的流速在0.2～1.2m·s-1范围内时，在相同油流速下，3号、4号比2号换热器压降分别低23%～42%和33%～54%，压降减小的主要原因是螺旋折流板有利于柱塞状螺旋流的形成，减少了有害流，随着油流速的增加，压降减小的幅度也增大，说明弓形折流板的阻力系数大于螺旋折流板.4号比3号换热器压降低19%左右，这是由于整体螺旋折流板减少了三角死区，更有利于消除有害流动.2号与1号换热器的压降略有增大，这是由于低肋管的翅片根部滞流层厚于梯形翅片管，翅片顶部的扰流作用却强于梯形翅片管的原因．

Fig.4Relationbetweenpressuredropandvelocity

据试验数据及因次分析的结果，将流阻性能最优的整体螺旋折流板梯形翅片管换热器壳侧压降的准数关系回归为

（4）

式（4）的Re范围与式（3）相同．

3.3整体性能评价

壳侧单位压降的传热膜系数曲线如图5所示，分析结果表明，4号换热器的综合性能最优，3号、4号换热器的综合性能大大优于1号、2号换热器，说明螺旋折流板的传热与阻力综合性能优于弓形折流板．2号换热器的传热与阻力综合性能优于1号换热器，说明梯形翅片管与低肋管相比，能在阻力基本不变的情况下强化传热．另外，随着油流速的增大，1号、2号换热器的壳侧单位压降的传热膜系数减小，3号、4号换热器壳侧单位压降的传热膜系数先增加后减小，但一直维持在较高水平，这说明大流速下螺旋折流板梯形翅片管的流动状况更为合理．梯形翅片管和螺旋折流板的配合使用，既可达到提升传热性能，又不增加压降的目的．

Fig.5Relationbetweenaoandpressuredrop

4结论

螺旋折流板梯形翅片管高黏度流体换热器能有效强化高黏度流体的传热过程．在较大流速下，螺旋折流板梯形翅片管换热器传热膜系数高于弓形折流板低肋管换热器，同时压降大大减小，且流速越大性能优势越明显．在试验范围内，整体螺旋折流板传热与流阻性能优于分块螺旋折流板，梯形翅片管传热性能优于低肋管，但阻力损失略有增大．螺旋折流板和梯形翅片管结合使用既能增大传热系数，又能达到减小压降的目的．

高黏度流体换热器全部采用钢质整体技术制造，大大降低了制造成本；全部按国家标准制造和螺旋折流板梯形翅片管高黏度流体换热器将在工业生产中发挥重要作用．

符号说明

As——

管间最大截面积，m2

R——

热阻，w-1·m2·K

Di——

壳体的内直径，m

Re——

Reynolds数

d——

管直径，m

t——

翅片宽度，m

h——

翅片高度，m

u——

流体流动速度，m·s-1

Lb——

折流板间距，m

α——

传热膜系数，W·m-2·K-1

Nu——

Nusselt数

ρ——

壳侧流体密度，kg·m-3

P——

翅片间距，m

下角标

Pr——

Prandtl数

i——

管内侧

Pt——

管间距，m

o——

管外侧

Δp——

壳侧压降，Pa

w——

管壁

References

[1]ZhuDongsheng（朱冬生），QianSongwen（钱颂文）．Designandappli