管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟

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管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟

毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟

专业年级2007级热能与动力工程专业

学号姓名******** 杨郭

指导教师刘巍

评阅人刘庆君

二零一一年六月

中国南京

任务书

课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟

课题类型：毕业论文

任务书内容:

1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）

2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。其总流阻损失应在满足规定要求。 2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；

3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。 3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。 3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。

用ANSYS和FLUENT进行管壳式换热器整体分析

作者：郭崇志林长青

利用数值模拟计算软件进行管壳式换热器的流体力学和传热性能计算及评估已经成为开发和研究管壳式换热器的重要手段之一，由于结构和流道复杂，导致准确地进行换热器的流体力学性能和传热性能计算和评估有一定的困难。而对换热器的结构性能进行准确分析一般都需要进行流固耦合模拟，如果要同时进行换热器的流体流动与传热和结构性能分析就更加困难。

有关管壳式换热器的温度场研究，目前大多数文献集中于研究管板的温度场及所产生温差应力、以及由此导致的结构强度等问题，通常利用ANSYS 大型商用软件行管壳式换热器管板结构的温度场研究，采用简化的三维实体模型较多，一般利用已知的平均温度或利用已知的换热（膜）系数对几何结构模型加载，而这些已知条件通常来源于手册提供的数据或者经验数据，并非来源于严格的换热器流体力学与传热工艺的数值计算，因此是产生结果计算偏差的主要原因之一。

目前文献对于给定工艺条件下管壳式换热器的整体温度场研究的并不多，由于准确的温度场是研究温差应力及其危害的前提，因此本文利用FLUENT 和ANSYS 软件对一台固定管板换热器的约束构件之间的整体结构在正常运行工况下的数值模拟问题进行了研究，首先从计算流体力学与传热的角度出发，利用FLUENT软件进行换热器流体流动与传热的工艺状况数值模拟。然后把FLUENT 软件的数值模拟结果导入ANSYS中作节点插值，完成温度场的重建，作为进行换热器的热分析以及结构分析的边界条件。从而实现了管壳式换热器的FLUENT 和ANSYS 联合仿真模拟，综合整个过程可以很好地完成同一条件下换热器的流体力学与传热和结构性能分析，使得换热器的工艺性能计算与结构分析计算完整地结合在一起，计算精度更高。

管壳式换热器的设计及计算

第一章换热器简介及发展趋势

1.1 概述

在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。

在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。

70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。

当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。

基于CFD数值模拟的换热器管箱内流场分析

方面由于流速不同，管板上压力分布不均会导致管子与管板处
发生冲蚀开裂，造成换热器泄露失效。现有文献中，如贺俊杰［１］、付磊［２］等多是对换热器壳程流场和温度场进行数值模拟研究，对于管程和管箱流场数值模拟研究不多，吴金星［３］研究
１．１几何模型与网格划分
收稿日期：２０１８－０３－２０基金项目：２０１６年湖北省教育厅科学研究计划指导性项目（项目编号：Ｂ２０１６２８７）作者简介：刘红姣（１９７０—），女，副教授，湖北武汉人，主要从事传热和流体流动的研究和教学工作。
列管式换热器是石油化工、动力、冶金、制冷等行业广泛使了封闭锥形导流筒对管箱内流场和压力场的影响，刘红姣［４］研
用的热交换设备。换热器的管箱位于筒体的两端，其作用是把究了不同管箱直径、长度和流速下管箱内流场的分布情况。本
从进口管输送来的流体均匀分配到每根换热管，或是把从换热文提出了三种不同半锥角的开式锥形导流筒结构，利用数值模
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｉｎｌｅｔｃｈａｍｂｅｒｏｆｔｈｅｓｈｅｌｌａｎｄｔｕｂｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｈａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｌｅａｋａｇｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｐｉｐｅａｎｄｔｈｅｐｉｐｅｐｌａｔｅｊｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｐｅｎｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒｗｉｔｈｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒｗｉｔｈｃｏｍｍｏｎｔｕｂｅｓｈｅｅｔａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｕｓｉｎｇＣＦＤｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄａｓａｎｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄｏｎｔｈｅｔｕｂｅｐｌａｔｅ，ｔｈｅｆｌｏｗｄｉｖｅｒｓｉｏｎｗｉｔｈｈａｌｆｃｏｎｅａｎｇｌｅｏｆ６０ｏｉｓｔｈｅｂｅｓｔｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈａｌｆｃｏｎｅａｎｇｌｅｈａｓｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒｉｎｔｈｅｃｈａｍｂｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｌｅｔｃｈａｍｂｅｒ；ｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

换热器综合性能的优化设计方法研究

一、本文概述

换热器，作为一种重要的热能传递设备，广泛应用于化工、石油、能源、环保等各个领域。其性能优劣直接关系到工业生产过程的效率和经济效益。研究和优化换热器的综合性能具有重要的理论价值和实践意义。本文旨在探讨换热器综合性能的优化设计方法，为提升换热器的性能提供科学指导。

本文将首先回顾和总结换热器设计的发展历程和现状，分析现有设计方法存在的不足和挑战。在此基础上，本文将提出一种综合性能优化设计方法，该方法将综合考虑换热器的热效率、流阻、材料成本等多个因素，通过数学建模和数值优化技术，实现换热器的性能优化。

本文还将对提出的优化设计方法进行详细的理论分析和实验研究。通过对比分析不同设计方法的性能，验证本文所提优化设计方法的有效性和优越性。本文还将探讨优化设计方法在实际工程中的应用前景和潜在价值。

本文将对全文进行总结，并提出未来研究的展望和方向。本文期望通过对换热器综合性能的优化设计方法研究，为提升换热器的性能和推动相关领域的科技进步做出贡献。

二、换热器综合性能评价指标

在换热器设计优化中，对综合性能的评价是至关重要的一环。综合性能评价指标不仅涉及到换热器的热效率，还涵盖了其经济性、安全性、耐用性等多个方面。构建全面、科学的综合性能评价体系，对于提升换热器的整体性能具有重要意义。

热效率是评价换热器性能的核心指标。它直接反映了换热器在热量传递过程中的效率，通常以换热器的传热系数来衡量。传热系数越大，说明热量在换热器内的传递效率越高，换热器的热性能越好。

经济性是评价换热器综合性能不可忽视的因素。在设计优化过程中，我们需要综合考虑换热器的制造成本、运行成本以及维护成本等因素。例如，通过优化材料选择、结构设计等方式降低制造成本；通过提高换热效率、降低能耗等方式降低运行成本；通过增强换热器的耐用性、减少故障率等方式降低维护成本。这些措施都有助于提高换热器的经济性。

管壳式换热器强化传热技术概述

管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备。在传统的管壳式换热器中，传热效率往往受到传热面积、换热系数、导热系数等因素的限制。为了提高传热效率，强化传热技术应运而生。本文将介绍管壳式换热器强化传热技术的基本原理和应用。

管壳式换热器是一种广泛应用于化工、石油、能源等领域的传热设备。它主要由壳体、传热管束、管板、折流板等组成。在管壳式换热器中，两种不同的介质通过传热管束进行热量交换。管束中的传热介质通过热对流和热传导两种方式将热量传递给管壁，管壁再将热量传递给另一种介质，从而实现两种介质之间的热量交换。

强化传热技术的原理主要包括：增加传热面积、提高换热系数、降低导热系数和增大比热容等。这些因素共同影响着传热效率。

增加传热面积可以通过采用具有高导热系数的材料、增加传热管的数量或改变传热管的形状等方式实现。提高换热系数可以通过改变流体的流动状态、减小流体的层流底层厚度、增加流体的湍流度等方式实现。降低导热系数可以通过在管壁涂覆低导热系数的涂层、采用高导热系数的材料等方式实现。增大比热容可以通过改变流体的流动速度、增加流体的浓度差等方式实现。

强化传热技术在管壳式换热器中的应用广泛，以下举几个例子：（1）蒸发：在蒸发过程中，强化传热技术可以有效地提高加热器的传热效率，减小能耗，降低生产成本。例如，采用高频扰动技术可以增加液体的湍流度，减小传热膜系数，从而减少蒸发时间，提高蒸发效率。

（2）冷凝：在冷凝过程中，强化传热技术可以促进水蒸气与冷却水之间的热量交换，提高冷凝效率。例如，采用细小肋片管可以增加传热面积，同时采用螺旋肋片管可以增加流体的扰动程度，减小传热膜系数，从而提高冷凝效率。

基于FLUENT的管壳换热器壳程流场数值模拟与分析

刘磊;宋天民;管建军

【摘要】通过简化管壳式换热器模型,采用非结构网格划分,选用κ-ε湍流模型,应用CFD软件FLUENT对壳程流体流动和传热过程进行了数值模拟,得到了不同折流板间距情况下壳程流体温度场、压力场以及速度场的分布情况.分析了折流板间距对壳程流体流场分布、换热器传热速率以及压力损失的影响,并得出了进口流速与传热量和压力损失之间的关系.模拟结果与理论研究结果相符合,对管壳式换热器的设计和改进有一定的参考价值.%By simplified the model of shell-and-tube heat exchangers, adopted the unstructured mesh, chose the k-S turbulence model to gain the static temperature field, velocity field and static pressure field distribution of shell by taking numerical simulation of the shell side turbulent flow and heat transfer process with the CFD software FLUENT at different baffle spacing. Analyzed the effect of baffle spacing on the distribution of shell fluid flow, heat transfer rate and pressure drop, also acquired the relationship between inlet velocity and heat transfer rate, pressure drop. The simulation results consistent with the theoretical results of shell-and-tube heat exchangers, which can be a reference for the design and improvement of shell-and-tube heat exchangers.

三维换热器的FLUENT模拟

三维换热器的F L U E N T模拟集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-

FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场

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摘要:基于各向异性多孔介质与分布阻力模型、修正k-ε模型和壁面函数法,对普通管壳式换热器壳程流体的流动与传热,利用FLUENT软件进行了三维数值模拟。计算了不同流体初速下,管壳式换热器壳程的速度场、温度场和压力场,计算结果与实际情况相符,得到了有参考价值的结论。

关键词:管壳式换热器数值模拟FLUENT 多孔介质分布阻力模型

数值模拟是换热器研究的一种重要手段。应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳程流场,由Patankar与Spalding在1974年最早提出[1]。但由于受到当时计算机与计算流体力学的条件限制,研究进展缓慢。20世纪80年代,由于核电厂换热设备的大型化、高参数化发展,促进了换热器数值模拟研究的开展[2,3]。关于国内外的换热器数值模拟研究,采用二维研究的较多,而在三维研究方面,又通常采用自己编程的方法[4,5]。利用FLUENT软件,模拟管壳式换热器壳程三维流场,本文进行了有益的探索。

FLUENT是世界领先、应用广泛的CFD软件,用于计算流体流动和传热问题。FLU-ENT软件是基于CFD软件群的思想,从用户需求的角度出发,针对各种复杂流动的物理现象,采用不同的离散格式和数值方法,使得特定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合,从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。

管壳式换热器设计-课程设计

一、课程设计题目

管壳式换热器的设计

二、课程设计内容

1．管壳式换热器的结构设计

包括：管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热

器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表

接管选择、工艺接管管径计算等等。

2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核

（1）根据设计压力初定壁厚；

（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；

（3）计算是否安装膨胀节；

（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。

3. 筒体和支座水压试验应力校核

4. 支座结构设计及强度校核

包括：裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓

5. 换热器各主要组成部分选材，参数确定。

6. 编写设计说明书一份

7. 绘制2号装配图一张，Auto CAD绘3号图一张（塔设备的）。

三、设计条件

气体工作压力

管程：半水煤气0.75MPa

壳程：变换气 0.68 MPa

壳、管壁温差55℃，t

t ＞t

壳程介质温度为220-400℃，管程介质温度为180-370℃。

由工艺计算求得换热面积为140m2，每组增加10 m2。

四、基本要求

1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；

2.设计说明书一律采用电子版，2号图纸一律采用徒手绘制；

3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔；

4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在答辩那一天早上8：30前，由班长负责统一交到HF508。

5.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。

五、设计安排

六、说明书的内容

1.符号说明

基于CFD原理的V形换热器流场分析

吕如兵;刘亚丽;李嘉

【摘要】针对一款美式风管机上面的V形翅片管式换热器，利用Fluent软件中的多孔介质模型，模拟了V形翅片管式换热器中空气流动的不均匀性分布情况。经过对比分析，表明该模型能够较准确的计算出 V 形翅片管式换热器空气侧风速的不均匀分布情况。结合翅片管式换热器设计软件EVAP-COND和CoilDesigner 软件，计算换热器换热及制冷剂出口状态，合理安排管路布置。%In this paper, we mainly discussed the application of the porous media and distributed resistance model in the software of Fluent in numerical simulation of V-shaped fin-tube heat exchanger. Using this model to simulate the air maldistribution, and compare it with the experimental result. Then we can evaluate the heat transfer performance using the software of EVAP-COND and Coildesigner, and optimize the circuit layout of the fin-tube heat exchanger.

管壳式换热器的设计及计算

增进器是在传热面附近设置一个小物体(不一定与传热面相连接)，它可以是各种形状和型式，最常见的是在传热面上等距离设置突起物，通过搅乱流动来达到强化传热的目的[14]。管内插入物有:扭带(Turbu lators)、螺旋片、螺旋线圈(Spirele Elements)和静态混合器(Kenics Mixers)。它们适合于强化管内单相流体传热，尤其对强化气体、低雷诺数或高粘度流体传热更为有效[9]。最近，国外又开发出一种称之为H itran Matrix Elements的花环式插入物，它是一种金属丝制翅片管子插入件(Wire2F in Tube Inserts)，能增强湍流，改善传热性能。它是英国Cal Garin Ltd.公司的产品，并取得了专利权[15]。
当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。
70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。

换热器的设计步骤

工艺计算

1设计原始数据

名称设计压力设计温度介质流量容器类别设计规范单位Mpa ℃/ Kg/h / /

壳侧7.22 420/295 蒸汽、水III GB150 管侧28 310/330 水60000 GB150

2管壳式换热器传热设计基本步骤

（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能

（2）由热平衡计算的传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。

（3）确定流体进入的空间

（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核

（6）选取管径和管内流速

（7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核

（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍

（9）选取管长

（10）计算管数

（11）校核管内流速，确定管程数

（12）画出排管图，确定壳径

D和壳程挡板形式及数量等

（13）校核壳程对流传热系数

（14）校核平均温度差

（15）校核传热面积

（16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。

3 确定物性数据

3.1定性温度

3.2 物性参数

第2章工艺计算

4估算传热面积 4.1热流量

根据公式（2-1）计算：

p Q Wc t =∆ 【化原 4-31a 】（2-2）

将已知数据代入（2-1）得：

111

p Q WC t =∆=60000×5.495×310 (330-310)/3600=1831666.67W 式中： 1W ——工艺流体的流量，kg/h ；

管式换热器文献综述

管壳式换热器广泛应用于化工、石油、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位[1]。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。据统计，在石油化工生产中，换热器的总投资约占总设备的30%~45%[2]。管壳式换热器因其利用和回收热能的优点，在上世纪70年代的全球化能源危机之后，促使世界各国对强化传热技术进行研究、开发和应用。迄今为止，国内外对管壳式换热器的强化传热技术的研究取得了丰硕的成果。

1.管壳式换热器强化传热技术进展

一直以来，管壳式换热器的强化传热技术研究都是以实验为主。随着计算流体力学（CFD）和计算机的飞速发展，数值模拟方法以其成本低、周期短等优点成为换热器研究的一种重要手段。大量的CFD商业软件的出现，使得传热和流体问题的数值计算取得了突破性进展。强化传热主要分为有源强化传热和无源强化传热。有源强化传热技术因其受到外在能量的制约，因此工程实际中主要采用无源强化传热技术，即通过增加单位体积内的传热面积或者提高传热系数增加传热量。迄今为止，国内外的管壳式换热器强化传热技术主要从两个方面进行：管程强化传热技术和壳程强化传热技术。

1.1管程强化传热

管壳式换热器管程的强化传热主要为改变换热管的外形和管内加内插件。其中改变换热管的外形是通过对管子进行各种加工，以期在管子的壁面上形成有规律或无规律的凸起物，这些凸起物既可以对流体进行扰动，又能断续地阻断边界层的发展。这些强化传热管主要有波纹管、螺旋槽纹管、螺旋扭曲扁管等。管内内插件作为一种扰流子，以固定的形状安装在换热管内，与管壁相对固定或者随流体振动，对流体产生扰动或破坏管壁表面的液体边界层以达到强化传热的目的，而且具有防垢和除垢的效果。

管壳换热器的发展和前景

肖克;张巨伟;于妍

【摘要】管壳式换热器在换热设备中占据着主导地位.通过对管壳式化热器、传热元件及换热器结构的进行了综述,并对换热器的存在问题及技术发展前景进行了讨论,可知我国的管壳式换热器水平和欧美国家相比还有很大差距,我们需要针对相应的问题进行攻关.

【期刊名称】《当代化工》

【年(卷),期】2015(044)012

【总页数】4页(P2821-2824)

【关键词】管壳式;换热管;结构;模拟设计

【作者】肖克;张巨伟;于妍

【作者单位】辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001

【正文语种】中文

【中图分类】TQ052

随着我国工业的发展，换热设备在石油、化工、冶金、核电等行业的市场规模迅速扩大，据相关资料可知，2016年换热装备行业规模突破1 000亿元，同时也对高效、环保、节能、大型化、新材料应用等方面提出了更高的要求。目前，由于大多数企业在创新体系的建设、研发和创新的资金投入，人才开发等方面仍处于较低水

平，距2020年实现我国又换热装备生产大国迈入世界换热装备强国的目标还有很大差距。在文献［1］中表明，各种形式的换热器不断在发展增加，而管壳式换热器在市场中占主导地位，大约在60%以上，可见，管壳式换热器在国民的经济作

用是不可限量的。

管壳式换热器按基本类型划分可分为，固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器和釜式重沸器。国内外换热器历年的参数适用范围如表1。

基于Solidworks和Fluent的管壳式换热器

基于Solidworks和Fluent的管壳

式换热器

换热管腐蚀现象广泛存在于化工机械中。本文通过硬度测试试验分析管壳

式换热器腐蚀与换热管硬度间的关系，证明引起换热管腐蚀的主要原因不是流

体介质腐蚀，而是自身结构设计的不合理。为了对换热管进行结构优化设计，

运用流体软件CosmosFloworks和Fluent对换热器进行建模与仿真，研究换热

器自身结构对腐蚀现象的影响。最后，在试验与仿真的基础上提出了换热器结

构优化方案。

换热器是化工、石油、动力、冶金、船舶、交通、食品和机械等工业部门

广泛使用的一种通用设备，换热器对整个企业的投资和发展有着重要影响，据

统计在化工生产设备中，换热器约占总投资的30%~40%。换热器换热状况的好

坏直接影响到整个装置的平稳运行及综合经济指标，并且对生产的安全、稳定

和长期运行起着重要作用。长期以来，管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强和选材广等优点在换热器的生产和使用数量上一直占主导地位。由于

其结构的复杂性和使用工况的多样性，常常出现换热器的局部失效甚至整体报废，进而影响到了换热器的工作效率和正常的工艺性能。

管壳式换热器使用一段时间后会发生泄漏失效，漏点通常出现在列管与管

板连接处，并且伴有腐蚀现象。通过焊接的方法对换热器漏点进行堵塞只能暂

时性解决问题，过一段时间后又会出现腐蚀失效现象，因而找出换热器失效机

理已经成为迫切的课题之一。

本文首先通过硬度测试试验分析管壳式换热器腐蚀与换热管硬度间的关系。然后运用Solidworks和Fluent软件对换热管腐蚀与换热管内壁的粗糙度，换

双管板金属温度海川

【中英文实用版】

Title: Double-pipe Shell and Tube Heat Exchanger Performance Analysis

摘要:

This study aims to investigate the performance of a double-pipe shell and tube heat exchanger under various metal temperature conditions.By simulating the heat transfer process, the impact of metal temperature on the heat exchange efficiency can be evaluated.The research findings can provide valuable insights for optimizing the design and operation of heat exchangers in industrial applications.

摘要:

本研究旨在探讨在不同金属温度条件下双管壳管式换热器的性能。通过模拟热传递过程，可以评估金属温度对热交换效率的影响。研究结果可为工业应用中换热器的设计和操作优化提供有价值的见解。

Introduction:

A double-pipe shell and tube heat exchanger is a type of heat exchanger that uses two pipes placed inside a larger shell to transfer heat between two fluids.The metal temperature of the heat exchanger plays a crucial role in its performance, as it affects the heat transfer coefficient and the overall heat exchange efficiency.

管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟