管壳式换热器壳侧流场的研究进展 - 文章

管壳式换热器壳侧流场的研究进展

作者：郭茶秀李培宁董其伍刘敏珊

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管壳式挡板换热器中流体流动与换热是相当复杂的。首先，壳侧流体在壳间的流动时而垂直于管壁，时而平行于管束，当穿过挡板的开孔处时，还有一部分流体从挡板与管子间的间隙中泄漏。其次，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的换热器设计计算都假设流动是一维稳态的，管内和管外两种流体相互平行(同向或逆向流动)，总传热系数K沿着轴向方向均匀不变等。然而随着研究的不断深入，对这些假设是否合理产生了怀疑。因此，有不少学者从事换热器壳程模拟工作，进行几方面的研究：①管壳式换热器的性能优化与壳侧流场的关系。②换热器经常由于振动而失效，振幅和频率依赖于壳程流体流过管束的速度大小。上述假设未能揭示出不均匀流动所带来的影响，不能对管子热应力的计算提供可靠的依据。另外，许多失效是在开始或关闭流体时产生的，因为这时热应力最大。因此要分析热应力，仅进行稳态分析是不够的，还要进行瞬态模拟。③换热器中污垢的形成和不均匀的温度和速度的关系。

1管壳式换热器壳侧流场模拟现状

1.1壳侧无相变

应用计算流体力学进行换热器模拟最早是由Patankar在1972提出来的［1］，但由于受到计算机条件和计算流体力学的限制，研究进展缓慢。80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PHOENICS、FLOW3D，使复杂的流场分析得以实现。管壳式换热器壳侧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，还未见有报导。原因之一是受到计算机容量的限制。因此，大多数文章都是解连续的Navier Stroke 方程，并对壳侧中的传热管和挡板等使用Patankar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。壳侧的管子、隔板、挡板等看成是多孔介质，用体积多孔度β表示流体占有的空间对整个名义空间的百分比。文献［1］的研究对象如图1结构，5管程，壳侧有2块挡板，换热器简化为矩形截面。在实际情况中，这种矩形式的管壳式换热器是不存在的，以它为研究对象只是为了说明流动模拟技术。

图1换热器几何模型

将所研究的空间划分网格后，将NS方程组和有关方程、边界条件等用有限元或有限差分法离散转化为代数方程，求解后得到速度场和温度场。图2、图3是换热器壳侧速度分布情况，从图2可以看到稳态下的速度分布是不均匀的，特别是在一些地方，如图2左上角的流动方向，和一般认为的流动方向相反。所以尽管网格划分粗，计算精度不高，不能准确地得到管束区的流动情况，但能比常规设计方法得到更多的信息。

图2换热器中心xz平面速度分布

图3换热器xy平面速度分布

1982年W T Sha 认为管束多孔度是各向异性的［2］，仅利用分布阻力和体积多孔度不能获得真实的流场速度，提出了表面渗透度的概念，必须综合应用体积多孔度、表面渗透度和分布阻力修改NS方程，以恰当地说明壳侧中管束、支撑板、挡板等的影响。W T Sha提出这个物理模型后，对蒸汽发生器进行了计算，并通过实验得到了进一步的验证，为了进一步获得挡板附近的流动状态，加拿大的C Zhang模拟了圆环-圆盘挡板换热器壳侧流场，发现圆盘和圆环后面出现了大的再回流区和尾流区［3］。

1.2壳侧冷凝［4，5］

壳侧冷凝的管壳式换热器是工业中大量应用的换热设备。从Nusselt开始，前人在冷凝传热方面做了大量的工作，但在冷凝器中由于复杂的传热传质过程，设计只能使用经验方法确定传热系数和传热面积。这些经验和半经验关联式，并不能准确地进行冷凝器的热力设计，特别是当考虑存在不凝性气体或管束淹没效应时，传统的冷凝理论对许多现象都无法做出圆满的解释，因此较精确的设计只能依赖计算机进行冷凝器流场模拟。用数值方法预测冷凝器流场，得到换热系数、压力及冷凝率在壳程的分布，这些信息能提供给设计人员关于管束不同排列、挡板间距、不凝性气体及淹没效应等对冷凝器性能的影响，以获得最佳设计，减少设备投资。应用成功的例子是电站表面冷凝器和蒸汽发生器。

从大量报导的文献来看，由于计算机容量和速度的限制，目前冷凝器的模拟仍要借助于多孔介质的概念，管束用各向异性多孔介质来代替。所以预测精度不仅依赖于所用的传热、压降关联式，还与管束等壳侧流动障碍物在数值模型中如何表达有关。

对壳侧冷凝的管壳式冷凝式换热器，当流体横流过管束时可能出现分层流、喷雾流及泡状流等流型，所以当进行冷凝模拟时涉及到如何确定两相流型和两相之间的相互作用力等。目前采用的一种方法是假设均相流动，另一种方法是假设两相完全分离的流动即两相模型。第一种方法已成功地应用于高压蒸汽发生器的分析，后一种方法应用于分析低压冷凝器。然而，在工程应用中冷凝器或发生器，是介于两种模型之间的某种流动，而目前还没有更好的模型能模拟。在两相流动模拟中，要考虑相间的质量、动量和能量传递，因变量大大增多，其计算费用远大于均相模拟，因而只有在确信相间滑移时，才使用两相模型，但要确定这一点，通常是用两类模型进行同一计算，然后根据计算结果判断两者是否有实际意义。

2管壳式换热器壳侧流场实验进展［6，7］

壳侧流动是一个复杂的三维流动过程，由于受到实验条件和测试技术等多方面因素的限制，实验测定壳侧流动分布很少有报导，所以流动分布通常理想化为一维流动，多流路模型。1957年，Gupta在小玻璃换热器中，首次利用跟踪粒子较粗略地显示了壳侧流动情况。1988年，HTFS(美国传热研究所)的Murray在他的博士论文实验中，提出用染料技术研究管壳式换热器中流体流过管束时的流动情况。1993年，L E Hasler报导了用神经密度粒子技术和传感压力管测量弓形挡板换热器管束间的叉流速度分布和压降，为计算机模拟建立更好的模型打下了一定基础。

对壳侧冷凝的管壳式冷凝器，除了复杂的壳侧结构外，还要考虑复杂的两相流动测量问题，所以流场测量难度相当大，至今所报导的文献中仅是对某些部位的温度和压力的测量，而对管束间的空隙率和相速的测量还没有好的方法。所以，目前对冷凝器的流场研究，还只是停留在数值模拟阶段，所提出的大量数值模型，还无法用实验验证。

3管壳式换热器壳侧流场研究发展趋势

前面介绍的管壳式换热器设计方法仍被广大的设计人员使用，因为程序使用方便，价格便宜，在一般微机上即可运行，而流场模拟软件则与之相反。目前国外利用PHOENICS、FLOW3D等大型通用流场软件已在模拟蒸汽发生器、冷却塔及电站冷凝器方面进行了一定的工作，但对石油、化工部门广泛使用的管壳式换热器却很少问津，国内这方面的工作也未见有报导。郑州工业大学承担国家95攻关项目，对管壳式换热器流场进行模拟研究，已取得了阶段性成果。现在用得成功的PHOENICS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、流动模拟，但也有一定的局限性。因此开发通用的管壳式换热器壳侧流场模拟软件是必要的，但此通用软件必须建立在准确的物理、数学模型和有效的数值模拟方法的基础上，重点解决以下其它软件不能解决的问题：①分析各种单相换热情况下流速分布、温度变化规律及组分浓度变化规律，确定壳程各处的传热系数与压降。②通过模拟计算，能得到某一工况下的最佳换热性能所必须采用的结构，而不是某一结构下的最佳性能。③对于有壳侧冷凝的情况，要对流型进行正确确定，根据不同的流型确定数学、物理模拟模型。详细地预测壳侧各处的冷凝率、冷凝率与不凝性气体的关系及淹没效应与传热系数的关系，从而使设计条件下运行的冷凝器达到最优工况。④对壳侧多组分冷凝(包括不凝气和不互溶物系的冷凝)进行模拟。

另一研究方向是流场测量方面，用测量仪器对真实设备特别是管束间进行流速、压力及温度等测定，以验证理论模拟的正确性。在流场测试方面可做的工作有：①开发新的流场测试设备目前已有的流场测量仪器价格昂贵且使用原理复杂，若能开发出价格便宜，且测量精度高的测试设备，则颇具应用推广前景。②开发新的测试技术目前测量单相流场的测速方法很多，如粒子示踪、多谱勒转速仪等，但对两相流场管束间的多个相速，冷凝率及空隙率的测量方法还很不成熟。

以上诸方面的研究，其最终目的是为换热器的优化设计、揭示流体诱导振动机理以及减少温差应力引起的失效等方面提供理论依据。

参考文献
[1]Patankar S V,Spalding D B.Heat exchanger design theory sourcebook. MCGRAW-HILL Book Company,1974.155
[2]Sha W T. Multidimensional numerical modeling of heat exchangers. Journal of Heat Transfer,1982, 104:417～425
[3]Zhang C. Numerical simulation of turbulent shear flow in an isothermal heat exchanger model. Transactions of the ASME,1990,112： 48
[4]Cumo M. Two-phase flow heat exchangers. Kluwer Academic Publishers,1988.829～838
[5]Zhang C. A quasi-three-dimensional approach to simulate the two-phase fluid flow and heat transfer in condensers. J.Heat Mass Transfer,1997,40:3537～3546
[6]Murray P W. Flow and pressure drop on the shellside of cylindrical shell and tube heat exchangers.1988,Ph. D.thesis,Dept of Chemical Engineering，University of Aston in Birmingham,UK.
[7]Haseler L E. Flow distribution on the shellside of a cylindrical shell and tube heat exchanger. J. Heat and Fluid Flow,1993,14(1):76～85 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/28/2007)


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