管壳式换热器工艺设计的新挑战

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管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用,尤其在化工、石油、能源等部门处于主导地位。当今科学技术的日新月异和过程工业对换热器提出了新的要求,尤其是换热器向高温、高压、大容量、高效益等方向开展,管壳式换热器无论是在设计理论还是在应用实践方面都面临一系列新的机遇和挑战。为了使管壳式换热器在21世纪仍然充满生机与活力.本文将对其工艺设计理论和方法进展回忆,分析目前面临的十大问题,并对其开展前景进展展望[1—5]。

1工艺设计原理与方法研究进展

管壳式换热器的设计包括热力设计、流动设计、构造设计以及强度设计等,而工艺设计一般是指传热(或热力)设计和压降(或流动)设计[4,6]。

1.1Colburn2Donohue法[6]

管壳式换热器壳侧的传热和流动过程比较复杂,因此,壳侧的传热和压降设计计算令人关注,一般设计原理的建立即指壳侧传热和压降计算方法确实定。1933年Colburn首先提出了以理想管排数据为根底的壳侧传热系数计算关联式。而对于带有折流板的管壳式换热器,由于漏流和旁流的存在,设计时采用Sieder2Tate关联式计算则更为方便[7—10]。由于换热器中流体的传热与流动阻力是同时发生,二者相互制约,因此在设计计算中应将二者作为一个整体加以考虑。1949年,Donohue第1个提出了这种完整的管壳式换热器综合设计方法。它的传热计算式是对Colburn关联式的修正,因此,称为Colburn2Donohue法。

1.2Kern法[6,8]

Kern法在Colburn2Donohue法的根底上作了—些改进。它的主要特点是将设计作为一个整体来处理,即除传热外,同时还考虑壳程2管程流动、温度分布、污垢及构造等问题。Kern[7]对这一设计方法进展了总结,Hewitt等[8]增加了新的内容,是目前管壳式换热器的重要设计参考书。

1.3Bell2Delaware法[6,8]

为了进一步改进管壳式换热器壳程的工艺设计,Bell以1963年Colburn等完成的Delaware研究方案成果为根底,提出了Bell2Delaware法,它的特点是利用大量实验数据,引入各流路的校正系数,是一种准确度较高的半理论方法。该法考虑了传热、流动与构造综合效应,但是其传热关联式中的系数与指数由实验数据回归而得,适用*围受到限制。

1.4流路分析法[6,8]

为了抑制Bell2Delaware法的局限性,美国传热研究公司(HeatTransferResearchInc.,HTRI)利用Tinker的流动模型和Delaware大学的实验数据,并引用自己的研究成果,提出了具有独创性的流路分析法。**大学也于1979年提出了计算壳侧压降的流路分析法,该法应用计算机进展计算。1984年Wills和Johnson对流路分析法进展了简化,可以方便地进展手算[8]。该法所依赖的各种流路阻力系数仍属于经历公式。

1.5计算机辅助设计法和基于计算流体动力学的设计法[11—16]

计算机科学与技术的开展,为管壳式换热器设计摆脱繁杂计算、经历设计以及经济效益问题的单纯设计带来了希望。它在换热器设计方面的应用主要经历了3个阶段:①开发通用的、考虑换热器标准的工艺和机械设计等程序,建立换热器的计算机辅助设计系统,以代替繁琐的手工设计;②将工程最优化理论引入设计程序,以年度投资操作和维护费用最低、换热器面积最小、年净收益最大等为目标函数,建立换热器的优化设计软件包;③以计算流体动力学(CFD)和数值传热学为根底,开展换热器的三维流动和传热行为数值模拟,从根本上解决管壳式换热器的设计和放大问题。其中,①、②方面的工作起步较早,进展较快,局部工作已有市售软件。例如HTRI、HTFS(HeatTranferandFluidFlowServices,简称HTFS)、B-JAC、THREM、CC2Therm和HEAT2DESIGN等设计软件包[11—13]。这些软件包已成为换热器工艺计算的主要手段,在国内也得到了广泛应用。第③阶段的工作开场相对较晚,由Patan2kar[14]于1972年提出。管壳式换热器内的流动是复杂的三维流动,要完全准确地模拟出工业规模换热器内部的每一个流动和传递细节,从而确定出流动阻力和换热系数,目前尚难以实现。因此,这方面的工作仍处于学术研究阶段[15—16]。

2工艺设计面临的十大挑战性难题及展望

虽然管壳式换热器工艺设计的原理与方法已到达“标准〞化和“规*〞化程度,但并非已经非常完善[1],设计工作仍然或将要面临许多有待解决的问题,这些也是目前研发的热点和开展方向。

2.1多相流动和传热[6,17—22]

与无相变系统的设计方法相比,有相变(冷凝和沸腾等)系统的设计要复杂得多,尤其是过程工业中遇到的两相或多相流动及传热问题,例如多元系统的沸腾和冷凝;含有不凝性气体的蒸气冷凝;管束中的沸腾和冷凝等。由于这些过程涉及到复杂的气液两相或多相流、非平衡相变传热和传质等问题,因此,目前尚不能对此进展量化设计。

2.2最优化[10]

为到达能量的合理利用,获得最大的经济利益,需使工艺设计实现最优化。目前,最优化设计是换热器设计的研究热点之一,并提出了多种方法,但不够成熟,甚至对优化目标、评价参数也不一致,有待进一步探讨。

2.3传热强化[20—21,23—29]

对于管壳式换热器,强化传热方法按是否消耗外加功率可分为有源技术(ActiveTechnology)和无源技术(PassiveTechnology),前者消耗外加能量,后者不消耗能量。后者主要是使传热壁面的温度边界层减薄或调换传热壁面附近的流体。主要有2种实施途径:①对传热外表的构造、形状适当加以处理与改造;②在传热面或传热流路上设置湍流增进器,或在流体中参加添加剂,特别是参加适当的固体颗粒,不仅强化传热,还可以防垢和除垢。在有源技术中,应用电场、磁场等各种场强及其协同作用强化传热是近年来比较关注的研究方向。例如EHD(Electro2hydrodynamics)技术,即电气流体力学技术,它可强化对流、冷凝和沸腾传热。但是,对于不同的管壳式换热器如何选择与设计最优的强化传热措施,还需进一步探讨。

2.4流体振动[17,29]

由于管壳式换热器的壳侧流径非常复杂,会引起多种流体漩涡、抖振、弹性激振及声学共振,这些振荡组合起来就形成剧烈振动。随着换热器向大型化、高温、高压、高流速、高负荷方向开展,振动有可能更加剧烈,严重时不仅使管子破裂,甚至使换热器损坏,所以,必须对振动机制、振动防控措施进展研究。多年来,虽然在理论上提出了一些流体激振机理和振动预测方法,但是,由于流体流动的复杂性,对其规律的认识还比较浅薄,难以进展有效的控制与预防。在工程应用方面,也开发了一些抗振构造,但是效果不理想。需要指出的是:假设能对振动频率、振幅、发生地点等加以适当控制,就可以强化传热及防除垢。

2.5污垢[16,30—31]

污垢概括起来可分为结晶、颗粒沉积、化学反响、聚合、结焦、生物体的成长及外表腐蚀等。从换热器设计及使用的角度来看,污垢对传热及流动诸参数影响较大,因此,污垢问题受到相当重视,国内外在换热器的污垢设计及防除垢方面取得了一定的进展。但由于问题的复杂性,换热器的设计仍采用超余设计的保守方法来处理污垢问题。因此,还需进一步研究,寻找更为合理的考虑污垢的设计方法。

2.6高粘度流体[32—33]

高粘流体换热器在石油化工、聚合物生产及加工、轻工、食品等行业中有重要应用。由于流体粘度很大,换热器设计应充分考虑其流动及传热特点,但是传统的实验方法难于获得对这种流体流动、传热的准确描述,而这种描述对研制高粘流体换热器至关重要。随着计算机仿真计算的开展,正在逐步解决这一难题。

2.7物性数据库[8]

无论是手工计算、计算机辅助优化设计,还是计算流体动力学数值模拟设计,都离不开物性数据及其数据库的支持。但是,对于一些物系,尤其是二元及多元混合物系统,目前尚缺乏系统可靠的物性数据,影响设计的可靠性。因此,应加强相应的根底实验研究,开发和完善能与换热器计算软件接口的数据库,这是换热器设计不可分割的重要组成局部。

2.8湍流[4,15]

湍流问题很复杂。虽然可用三维不稳态流动方程来描述湍流状态,用解析方法来求解方程,但从学术角度出发,也非常困难。预测随着计算机科学、计算流体动力学、非线性科学、实验科学等的开展,湍流问题有可能在21世纪得以解决,从而为管壳式换热器内的流动与传热的数值模拟奠定了根底。

2.9非线性传热[34—39]

随着非线性科学的出现,管壳式换热器内的非线性传热与流动问题开场受到关注,例如非线性流型分析和识别、压力波动的混沌预测和控制等。也有运用分岔理论、实变论、耗散构造理论等非线性学科分支,对池沸腾过程中出现的非线性现象进展研究的报道。但是,对传热过程的非线性研究较少,应加强从新的角度提醒传热机理,创立新的换热器设计方法。

2.10换热器中流动及传热过程的数值模拟[14—16,40]

在换热器流动及传热过程的数值模拟方面,国内外学者已经作出了一定的努力,希望通过计算机建立描述整个系统的流体流动及传热等过程的物理数学模型,通过数值求解了解换热器内详细的三维流场及传热信息,抑制经历或半理论设计的缺乏,实现换热器的定量设计和放大预测。模拟结果的有效性取