管壳式换热器壳程传热性能比较

1、收稿日期:2005211226作者简介: 张杏祥(19802,男,江苏南京人,在读硕士研究生,从事新型高效传热传质设备的开发与研究。文章编号:100027466(20060320007204管壳式换热器壳程传热性能比较张杏祥,桑芝富(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京210009摘要:采用标准k 2湍流模型并辅以壁面函数法,对弓形折流板换热器、盘环形折流板换热器、折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器壳程流动与传热情况进行了数值研究。根据数值计算结果比较分析了这4种管壳式换热器壳程传热系数、壳程压降和整体性能指标/p 随质量流量的变化情况,对管壳式换热器的优化选型具有一定的实际意义。关键词:换

2、热器;传热性能;压降;k 2湍流模型;数值计算中图分类号:TQ 0511501文献标识码:ANumerical research of shell side s heat transfer propertyfor different shell 2and 2tube heat exchangerZHAN G Xing 2xiang ,SAN G Zhi 2f u(College of Mechanical and Power Engineering ,Nanjing U niversity of Technology ,Nanjing 210009,China Abstract :Standa

3、rd k 2t urbulence model in conjunction wit h wall f unctio n was adopted to per 2form numerical comp utation for t he fluid flow and heat t ransfer in t he shell side of segmental baf 2fle heat exchanger ,disk 2donut baffle heat exchanger ,baffle 2grid heat exchanger and twist t ube heat exchanger.A

4、ccording to t he result s of numerical comp utation ,t he shell side s heat transfer coefficient ,p ressure drop and t he parameter /p as a f unction of mass flow rate were investiga 2ted and compared for t he four types of shell 2and 2t ube heat exchanger.It is usef ul for t he optimiza 2tion and s

5、election of shell 2and 2t ube heat exchanger.K ey w ords :heat exchanger ;heat transfer property ;p ressure drop ;k 2t urbulence model ;nu 2merical comp utation符号说明u 流体速度,m/s T 温度,Kc p 比定压热容,J/(kg K 流体密度,kg/m 3p 压力,Paq 热流密度,W/m 2流体粘度,Pa sf 单位质量体积力,kg m/s 2导热系数,W/(m K t 时间,s换热器是热力过程中的关键设备,广泛应用于能源、动力、

6、化工、冶金、机械、交通、航空与航天等领域1。同时,换热器也是利用能源与节约能源的必要设备。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、工作可靠以及选材范围广等特点,且能适用于高温高压的工况。传统的管壳式换热器多为弓形第35卷第3期石油化工设备Vol 135No 132006年5月PETRO 2CH EMICAL EQU IPM EN T May 2006折流板换热器,这种换热器在具有管壳式换热器优点的同时,也有其自身的缺陷,如存在壳程流动死区、壳程压力损失较大、容易结垢以及容易发生管束诱导振动等。近几十

7、年来,国内外对管壳式换热器管内强化传热技术进行了大量的研究,取得了丰硕的成果,特别是从20世纪70年代开始对壳程传热强化技术广泛和深入的研究,使得管壳式换热器有了较大的发展和改进。通过改变壳程支承结构或采用新型强化传热管的方法,改善管壳式换热器的传热和流体流动性能,有效克服传统弓形折流板换热器存在的缺陷,加之一些新型高效管壳式换热器应运而生,因而管壳式换热器在激烈的竞争中得以生存和发展2。盘环形折流板换热器、折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器都是最近发展起来的新型高效管壳式换热器24。盘环形折流板换热器和折流栅换热器改变了传统管壳式换热器的壳程支承结构,分别用圆盘、圆环和折流栅代替弓形折流板的支

8、承结构,从而改变了壳程流体的流动状态,改善了传热效果,提高了传热效率,目前这两种管壳式换热器已经成功运用于工业生产中。螺旋扭曲扁管换热器采用螺旋扭曲扁管作为换热管,壳程不设任何支承元件,螺旋扭曲扁管之间紧密接触,在换热器壳程形成螺旋形流道,同时也起到相互支承的作用,这种结构使管程流体和壳程流体均产生以旋转流为主要特征的复杂流动,获得较强的旋转扰动,从而较大地强化了传热过程,同时也大幅减小了壳程压力损失。近年来,随着计算流体动力学和计算传热学的蓬勃发展,计算机硬件技术的提高使得采用数值模拟的方法对换热器进行模拟与仿真成为可能5,6。相对传统的试验研究方法而言,数值模拟方式具有以下突出优点:易改变

9、计算条件。可研究复杂初边值条件下的流动与传热特性,具有灵活、费用较低、限制较少、能模拟较复杂或较理想的工况等优点。可缩短研究和开发周期。具有很好的重复性,便于优化设计。文中用数值模拟的方法比较研究了盘环形折流板换热器、折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器的壳程传热与流阻特性,并与传统的弓形折流板换热器相比较,说明其传热与流动性能的改善。1数值模型1.1几何模型为了便于计算分析,文中采用了简化的三维几何模型进行数值模拟分析。数值计算的换热器模型采用7根换热管的简化模型,忽略换热管、筒体、折流板以及折流栅的厚度,换热管的有效长度为1500mm,筒体直径为100mm。弓形折流板换热器、盘环形折流板换热器

10、和折流栅换热器的换热管采用 25mm的圆直管,换热器模型的折流板、盘环折流板和折流栅间距均为167mm,折流栅换热器模型的折流栅相互之间呈60。因为实际生产过程中螺旋扭曲扁管是利用圆直管压扁扭曲而成的,在圆管压扁过程中,其周长是不变的,所以为了使几何模型具有可比性,螺旋扭曲扁管换热器的换热管采用与 25mm圆管具有相同截面周长的螺旋扭曲扁管,螺距S=100mm,4种管壳式换热器壳程结构见图1 。图1管壳式换热器壳程结构1.2控制方程在三维正交的笛卡儿坐标系下,换热器壳程流体的流动和热量传递必须满足以下几个控制方程7:连续性方程:u=0(1 Navier2Stokes方程,即动量方程:9u9t+

11、uu=f- p+ 2u(2能量方程:cp9T9t+uT= 2T+q(38石油化工设备2006年第35卷1.3计算模型和边界条件鉴于换热器壳程通道结构比较复杂,故对计算模型采用混合网格分块进行单元离散,考虑边界层对流动的影响,将换热管壁面附近的网格加密,每个模型的网格数都在80万个以上。选用标准k2湍流模型并且辅以壁面函数法模拟计算换热器壳程的流动和传热情况,采用有限体积方法求解控制方程组,速度与压力耦合采用基于同位网格的Simplec 算法,对流项采用二阶迎风格式,用非耦合稳态隐式格式求解8,9。将换热器内流体定义为不可压缩的牛顿型流体,给定流体的物性参数;定义入口处为速度入口边界,给定入口速

12、度以及相应的温度条件;定义出口为压力出口边界,给定静压和适当的回流条件;换热管定义为固定壁温壁面边界条件,换热器筒体、折流板以及折流栅定义为绝热、无速度滑移壁面边界条件。定义收敛条件为残差绝对值小于1.010-5。2数值计算结果分析2.1壳程传热性能数值计算时,换热器的壳程质量流量在0.35 2.4kg/s变化。数值计算所得到的各换热器的壳程传热系数随质量流量q m的变化情况见图2。从图2中可以看出,数值计算所涉及的4种换热器的壳程传热系数随着壳程质量流量的增加而增加。这是因为随着换热器壳程质量流量的增大,换热器壳程流体的流速也增大,使得流体的流动状态发生改变,流体的湍流脉动程度变高,从而强化

13、了对流传热效果,使得换热器的壳程传热系数增大。在壳程质量流量相同时,弓形折流板换热器的壳程传热系数最大,盘环形折流板次之,然后是折流栅换热器,螺旋扭曲扁管换热器的壳程传热系数最小,而且弓形折流板换热器和盘环形折流板换热器的壳程传热系数明显比折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器大,这主要是由于换热器壳程结构的不同而造成的。在弓形折流板换热器中,由于折流板的扰流作用,使得壳程流体横向冲刷换热管束,并周期性地改变方向,加速了传热表面流体的迅速剥离并使流体充分混合,很好地增强了对流换热效果。盘环形折流板对壳程流体的扰动程度较弓形折流板要差些,流体在盘环形折流板换热器壳程流动状态介于横向流和纵向流之间,对流

14、传热效果没有弓形折流板换热器好。而折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器都属于纵流式换热器,壳程流体沿换热器轴向流动。在折流栅换热器中,壳程流体经过折流栅时因受到扰动增加了湍流程度,故提高了对流传热效果,而螺旋扭曲扁管换热器则依靠螺旋扭曲扁管之间形成的螺旋形流道对壳程流体施加扰动。显然,这两种纵流式换热器壳程流体的湍流程度和传热边界层的破坏作用远不如弓形折流板换热器和盘环形折流板换热器,因而对流传热效果相比较差。因此,在不考虑功耗,只强调传热效果的情况下,弓形折流板换热器仍然具有明显的优势 。图2壳程传热系数随质量流量的变化曲线2.2壳程压力损失4种管壳式换热器的壳程压降p随壳程质量流量q m的变化

15、情况见图3。随着壳程质量流量的增加,4种管壳式换热器的壳程压降都在增加,弓形折流板换热器的壳程压降增加的速度很快,盘环形折流板换热器壳程压降随壳程质量流量增加的速度要慢些,但增加的速度也较大,折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器的壳程压降随壳程质量流量的增加速度很慢,壳程压降和壳程质量流量的关系曲线很平缓。在壳程质量流量相同的情况下,弓形折流板换热器和盘环形折流板换热器的壳程压降远大于折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器的壳程压降。在4种管壳式换热器中,弓形折流板换热器的壳程压降最大,螺旋扭曲扁管换热器的壳程压降最小。这是由于流体在弓形折流板换热器壳程运动时, 弓形图3壳程压降随壳程质量流量的变化曲线

16、9第3期张杏祥,等:管壳式换热器壳程传热性能比较折流板的阻挡和扰流作用使得流体冲击折流板时改变流向,同时由于流通截面的突变而在弓形折流板缺口处形成流体速度突变和压力突变,并且在折流板背面形成回流区,造成很大的压力损失。盘环形折流板换热器壳程造成压力损失的原因与其类似,但由于盘环形折流板的形状和布置方式不同于弓形折流板,流体在壳程的流动状态也不同于弓形折流板换热器,其壳程流体的速度和压力突变程度不如弓形折流板换热器的强烈,压力损失因而也小些,但和纵流式换热器相比依然较大。在折流栅换热器中,流体虽然主要作轴向流动,主流方向不存在大的突变,但是流体的湍流程度不高,因而能量损失明显比两种壳程具有折流板

17、的换热器低,但和螺旋扭曲扁管换热器相比,由于折流栅对流体的阻碍作用,其壳程压力损失还是大些。2.3壳程整体性能评价壳程传热系数和压降是反映换热器性能的重要指标,但是,只凭其中1个指标并不能说明换热器整体性能的优劣。文中综合考虑了以上2个指标,采用单位壳程压降下的壳程传热系数,即/p 作为衡量换热器壳程的整体性能的指标。当/p 较大时,换热器壳程整体性能较好,在满足相同热负荷要求的情况下,换热器不仅尺寸小,紧凑性高,而且质量较轻。数值计算所得到的反映4种换热器壳程整体性能的/p 值随壳程质量流量q m 的变化情况见图4。从图4中可以看出,折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器这2种纵流式换热器的壳程整

18、体性能要远优于壳程有折流板的弓形折流板换热器和盘环形折流板换热器,尤其在壳程质量流量较小时,这种现象更明显。4种管壳式换热器中,螺旋扭曲扁管换热器壳程整体性能最好,而弓形折流板整体性能最差。因此,在条件允许的情况下,用螺旋扭曲扁管换热器 等新型管壳式换热器代替传统的弓形折流板换热图4壳程/p 随质量流量的变化曲线器,能够有效地节约能源,降低消耗,提高工业生产经济效益。3结语数值模拟的结果表明,文中所涉及的4种管壳式换热器的壳程传热系数、壳程压降都随着壳程质量流量的增大而变大。在壳程质量流量相同的条件下,弓形折流板换热器的壳程传热系数和压降最大,螺旋扭曲扁管换热器的壳程传热系数和压降最小,盘环形

19、折流板换热器和折流栅换热器的壳程传热系数和压降介于两者之间,并且盘环形折流板换热器的壳程传热系数和压降大于折流栅换热器。采用单位壳程压降下的壳程传热系数/p 值作为评价4种管壳式换热器的壳程整体性能指标时,折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器这2种纵流式换热器的壳程整体性能要远优于壳程有折流板的弓形折流板换热器和盘环形折流板换热器,尤其在壳程质量流量较小的情况下更为明显。在4种管壳式换热器中,螺旋扭曲扁管换热器的壳程整体性能最好,而弓形折流板换热器的整体性能最差。数值计算得出的以上结论对于管壳式换热器优化选型具有一定的实际意义。参考文献:1史美中,王中铮.热交换器原理与设计M .南京:东南大学出版社,1998.2钱颂文,岑汉钊,江楠,等.换热器管束流体力学与传热M .北京:中国石化出版社,2002.3Dzyubenko B V ,Ashmantas L V ,Segal M D.Modeling and De 2sign of Twisted Tube He