四平東興換熱器分析管殼式擋板換熱器的發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)布時(shí)間：2009-12-28 瀏覽：3558

    管殼式擋板換熱器中流體流動(dòng)與換熱是相當(dāng)復(fù)雜的。首先，殼側(cè)流體在殼間的流動(dòng)時(shí)而垂直于管壁，時(shí)而平行于管束，當(dāng)穿過擋板的開孔處時(shí)，還有一部分流體從擋板與管子間的間隙中泄漏。其次，管內(nèi)流體與管外流體之間的熱交換是耦合在一起的。對(duì)這樣復(fù)雜的流動(dòng)與換熱過程的換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算都假設(shè)流動(dòng)是一維穩(wěn)態(tài)的，管內(nèi)和管外兩種流體相互平行(同向或逆向流動(dòng))，總傳熱系數(shù)K沿著軸向方向均勻不變等。然而隨著研究的不斷深入，對(duì)這些假設(shè)是否合理產(chǎn)生了懷疑。因此，有不少學(xué)者從事?lián)Q熱器殼程模擬工作，進(jìn)行幾方面的研究：
    ①管殼式換熱器的性能優(yōu)化與殼側(cè)流場(chǎng)的關(guān)系。
    ②換熱器經(jīng)常由于振動(dòng)而失效，振幅和頻率依賴于殼程流體流過管束的速度大小。上述假設(shè)未能揭示出不均勻流動(dòng)所帶來(lái)的影響，不能對(duì)管子熱應(yīng)力的計(jì)算提供可靠的依據(jù)。另外，許多失效是在開始或關(guān)閉流體時(shí)產(chǎn)生的，因?yàn)檫@時(shí)熱應(yīng)力最大。因此要分析熱應(yīng)力，僅進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析是不夠的，還要進(jìn)行瞬態(tài)模擬。
    ③板式換熱器中污垢的形成和不均勻的溫度和速度的關(guān)系。

　　1管殼式換熱器殼側(cè)流場(chǎng)模擬現(xiàn)狀

　　1.1殼側(cè)無(wú)相變

　　應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行換熱器模擬最早是由Patankar在1972提出來(lái)的［1］，但由于受到計(jì)算機(jī)條件和計(jì)算流體力學(xué)的限制，研究進(jìn)展緩慢。80年代由于核電廠換熱設(shè)備向大型化、高參數(shù)化發(fā)展，促進(jìn)了這方面的研究，開發(fā)了大型通用軟件如PHOENICS、FLOW3D，使復(fù)雜的流場(chǎng)分析得以實(shí)現(xiàn)。管殼式換熱器殼側(cè)單相流場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的三維流動(dòng)過程，不借助于一定的假設(shè)或模型，對(duì)工業(yè)規(guī)模的換熱器的每一個(gè)細(xì)節(jié)全部模擬出來(lái)，從而確定流動(dòng)阻力與換熱系數(shù)，還未見有報(bào)導(dǎo)。原因之一是受到計(jì)算機(jī)容量的限制。因此，大多數(shù)文章都是解連續(xù)的Navier Stroke方程，并對(duì)殼側(cè)中的傳熱管和擋板等使用Patankar提出的分布阻力概念，以考慮殼側(cè)的固體表面對(duì)流體流動(dòng)的影響。殼側(cè)的管子、隔板、擋板等看成是多孔介質(zhì)，用體積多孔度β表示流體占有的空間對(duì)整個(gè)名義空間的百分比。文獻(xiàn)［1］的研究對(duì)象如圖1結(jié)構(gòu)，5管程，殼側(cè)有2塊擋板，換熱器簡(jiǎn)化為矩形截面。在實(shí)際情況中，這種矩形式的管殼式換熱器是不存在的，以它為研究對(duì)象只是為了說(shuō)明流動(dòng)模擬技術(shù)。

　　將所研究的空間劃分網(wǎng)格后，將NS方程組和有關(guān)方程、邊界條件等用有限元或有限差分法離散轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，求解后得到速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。圖2、圖3是換熱器殼側(cè)速度分布情況，從圖2可以看到穩(wěn)態(tài)下的速度分布是不均勻的，特別是在一些地方，如圖2左上角的流動(dòng)方向，和一般認(rèn)為的流動(dòng)方向相反。所以盡管網(wǎng)格劃分粗，計(jì)算精度不高，不能準(zhǔn)確地得到管束區(qū)的流動(dòng)情況，但能比常規(guī)設(shè)計(jì)方法得到更多的信息。

　　1982年W T Sha認(rèn)為管束多孔度是各向異性的［2］，僅利用分布阻力和體積多孔度不能獲得真實(shí)的流場(chǎng)速度，提出了表面滲透度的概念，必須綜合應(yīng)用體積多孔度、表面滲透度和分布阻力修改NS方程，以恰當(dāng)?shù)卣f(shuō)明殼側(cè)中管束、支撐板、擋板等的影響。W T Sha提出這個(gè)物理模型后，對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證，為了進(jìn)一步獲得擋板附近的流動(dòng)狀態(tài)，加拿大的C Zhang模擬了圓環(huán)-圓盤擋板換熱器殼側(cè)流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)圓盤和圓環(huán)后面出現(xiàn)了大的再回流區(qū)和尾流區(qū)［3］。

　　1.2殼側(cè)冷凝［4，5］

　　殼側(cè)冷凝的管殼式換熱器是工業(yè)中大量應(yīng)用的換熱設(shè)備。從Nusselt開始，前人在冷凝傳熱方面做了大量的工作，但在冷凝器中由于復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，設(shè)計(jì)只能使用經(jīng)驗(yàn)方法確定傳熱系數(shù)和傳熱面積。這些經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，并不能準(zhǔn)確地進(jìn)行冷凝器的熱力設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)考慮存在不凝性氣體或管束淹沒效應(yīng)時(shí)，傳統(tǒng)的冷凝理論對(duì)許多現(xiàn)象都無(wú)法做出圓滿的解釋，因此較精確的設(shè)計(jì)只能依賴計(jì)算機(jī)進(jìn)行冷凝器流場(chǎng)模擬。用數(shù)值方法預(yù)測(cè)冷凝器流場(chǎng)，得到換熱系數(shù)、壓力及冷凝率在殼程的分布，這些信息能提供給設(shè)計(jì)人員關(guān)于管束不同排列、擋板間距、不凝性氣體及淹沒效應(yīng)等對(duì)冷凝器性能的影響，以獲得最佳設(shè)計(jì)，減少設(shè)備投資。應(yīng)用成功的例子是電站表面冷凝器和蒸汽發(fā)生器。

　　從大量報(bào)導(dǎo)的文獻(xiàn)來(lái)看，由于計(jì)算機(jī)容量和速度的限制，目前冷凝器的模擬仍要借助于多孔介質(zhì)的概念，管束用各向異性多孔介質(zhì)來(lái)代替。所以預(yù)測(cè)精度不僅依賴于所用的傳熱、壓降關(guān)聯(lián)式，還與管束等殼側(cè)流動(dòng)障礙物在數(shù)值模型中如何表達(dá)有關(guān)。

　　對(duì)殼側(cè)冷凝的管殼式冷凝式換熱器，當(dāng)流體橫流過管束時(shí)可能出現(xiàn)分層流、噴霧流及泡狀流等流型，所以當(dāng)進(jìn)行冷凝模擬時(shí)涉及到如何確定兩相流型和兩相之間的相互作用力等。目前采用的一種方法是假設(shè)均相流動(dòng)，另一種方法是假設(shè)兩相完全分離的流動(dòng)即兩相模型。第一種方法已成功地應(yīng)用于高壓蒸汽發(fā)生器的分析，后一種方法應(yīng)用于分析低壓冷凝器。然而，在工程應(yīng)用中冷凝器或發(fā)生器，是介于兩種模型之間的某種流動(dòng)，而目前還沒有更好的模型能模擬。在兩相流動(dòng)模擬中，要考慮相間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞，因變量大大增多，其計(jì)算費(fèi)用遠(yuǎn)大于均相模擬，因而只有在確信相間滑移時(shí)，才使用兩相模型，但要確定這一點(diǎn)，通常是用兩類模型進(jìn)行同一計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷兩者是否有實(shí)際意義。

　　2管殼式換熱器殼側(cè)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展［6，7］

　　殼側(cè)流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的三維流動(dòng)過程，由于受到實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)試技術(shù)等多方面因素的限制，實(shí)驗(yàn)測(cè)定殼側(cè)流動(dòng)分布很少有報(bào)導(dǎo)，所以流動(dòng)分布通常理想化為一維流動(dòng)，多流路模型。1957年，Gupta在小玻璃換熱器中，首次利用跟蹤粒子較粗略地顯示了殼側(cè)流動(dòng)情況。1988年，HTFS(美國(guó)傳熱研究所)的Murray在他的博士論文實(shí)驗(yàn)中，提出用染料技術(shù)研究管殼式換熱器中流體流過管束時(shí)的流動(dòng)情況。1993年，L E Hasler報(bào)導(dǎo)了用神經(jīng)密度粒子技術(shù)和傳感壓力管測(cè)量弓形擋板換熱器管束間的叉流速度分布和壓降，為計(jì)算機(jī)模擬建立更好的模型打下了一定基礎(chǔ)。

　　對(duì)殼側(cè)冷凝的管殼式冷凝器，除了復(fù)雜的殼側(cè)結(jié)構(gòu)外，還要考慮復(fù)雜的兩相流動(dòng)測(cè)量問題，所以流場(chǎng)測(cè)量難度相當(dāng)大，至今所報(bào)導(dǎo)的文獻(xiàn)中僅是對(duì)某些部位的溫度和壓力的測(cè)量，而對(duì)管束間的空隙率和相速的測(cè)量還沒有好的方法。所以，目前對(duì)冷凝器的流場(chǎng)研究，還只是停留在數(shù)值模擬階段，所提出的大量數(shù)值模型，還無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　3管殼式換熱器殼側(cè)流場(chǎng)研究發(fā)展趨勢(shì)

　　前面介紹的管殼式換熱器設(shè)計(jì)方法仍被廣大的設(shè)計(jì)人員使用，因?yàn)槌绦蚴褂梅奖�，價(jià)格便宜，在一般微機(jī)上即可運(yùn)行，而流場(chǎng)模擬軟件則與之相反。目前國(guó)外利用PHOENICS、FLOW3D等大型通用流場(chǎng)軟件已在模擬蒸汽發(fā)生器、冷卻塔及電站冷凝器方面進(jìn)行了一定的工作，但對(duì)石油、化工部門廣泛使用的管殼式換熱器卻很少問津，國(guó)內(nèi)這方面的工作也未見有報(bào)導(dǎo)。鄭州工業(yè)大學(xué)承擔(dān)國(guó)家95攻關(guān)項(xiàng)目，對(duì)管殼式換熱器流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，已取得了階段性成果。現(xiàn)在用得成功的PHOENICS流場(chǎng)模擬軟件能解決三維層流或湍流、單相或多相、穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)問題的傳熱、流動(dòng)模擬，但也有一定的局限性。因此開發(fā)通用的管殼式換熱器殼側(cè)流場(chǎng)模擬軟件是必要的，但此通用軟件必須建立在準(zhǔn)確的物理、數(shù)學(xué)模型和有效的數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決以下其它軟件不能解決的問題：①分析各種單相換熱情況下流速分布、溫度變化規(guī)律及組分濃度變化規(guī)律，確定殼程各處的傳熱系數(shù)與壓降。②通過模擬計(jì)算，能得到某一工況下的最佳換熱性能所必須采用的結(jié)構(gòu)，而不是某一結(jié)構(gòu)下的最佳性能。③對(duì)于有殼側(cè)冷凝的情況，要對(duì)流型進(jìn)行正確確定，根據(jù)不同的流型確定數(shù)學(xué)、物理模擬模型。詳細(xì)地預(yù)測(cè)殼側(cè)各處的冷凝率、冷凝率與不凝性氣體的關(guān)系及淹沒效應(yīng)與傳熱系數(shù)的關(guān)系，從而使設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行的冷凝器達(dá)到最優(yōu)工況。④對(duì)殼側(cè)多組分冷凝(包括不凝氣和不互溶物系的冷凝)進(jìn)行模擬。

　　另一研究方向是流場(chǎng)測(cè)量方面，用測(cè)量?jī)x器對(duì)真實(shí)設(shè)備特別是管束間進(jìn)行流速、壓力及溫度等測(cè)定，以驗(yàn)證理論模擬的正確性。在流場(chǎng)測(cè)試方面可做的工作有：①開發(fā)新的流場(chǎng)測(cè)試設(shè)備目前已有的流場(chǎng)測(cè)量?jī)x器價(jià)格昂貴且使用原理復(fù)雜，若能開發(fā)出價(jià)格便宜，且測(cè)量精度高的測(cè)試設(shè)備，則頗具應(yīng)用推廣前景。②開發(fā)新的測(cè)試技術(shù)目前測(cè)量單相流場(chǎng)的測(cè)速方法很多，如粒子示蹤、多譜勒轉(zhuǎn)速儀等，但對(duì)兩相流場(chǎng)管束間的多個(gè)相速，冷凝率及空隙率的測(cè)量方法還很不成熟。