第一章 绪 论

第一章绪论1.1课题提出的背景及意义换热器是用来实现热量的传递，使热量由高温流体传给低温流体，是一种实现物料间热量传递的通用设备，在石油、化工、动力、核能等工业领域有较为广泛的应用[1]。

有数据显示，在当今炼油化工厂中，各种不同类型的换热器大约占全部设备资金投入的40％，其动力的消耗大约占到总体能量消耗比率的20%～30%[2]。

介于换热器的地位如此重要，改善换热器的结构，提高换热器的换热性能对节约资源、降低能耗、减少成本有很大帮助。

在二十世纪的早期，为了满足当时对大型换热设备的工业需要，而开发设计了最初的管壳式换热器[3]。

经过近一百年左右的发展，其设计规范标准和生产加工方法都已经非常成熟，可以很好地满足工业实际生产需要。

其中最为著名的要数Bell-Delaware设计方法和Tinker教授的流路分析法[4]。

现代工业常用的换热器，冷热两种流体一种在管内流动，一种在换热管与壳壁之间的壳程流动，冷、热流体通过换热管束来进行热量的相互交换，从而使冷流体温度升高，热流体温度降低，最终满足工艺过程的需要。

在石油炼化等行业中经常使用的管壳式换热器，由于其构造相对简单，设计规范和制造工艺非常完善，适应性较强，安全可靠性高等特点逐渐在市场占据了主导性的地位[5][6]。

为了增强换热器的传热效果，在壳程内部安装形状不同的折流挡板，折流挡板的存在不仅能够对换热管束起到支撑的作用，而且对改变壳程流体的流动状态，提高换热器的换热效率起到较为关键的作用。

折流挡板的形式多种多样，工业中经常使用的管壳式换热器，传统弓形折流板的应用最为普遍，其使用范围也比较广泛。

本文以常用的管壳式换热器作为研究对象，在对几何模型进行假设简化的条件下，运用CFD软件Fluent对管壳式换热器壳程流动与传热进行了数值模拟。

本文模拟研究的重点在换热管束的排列方式，以及折流板结构参数变化对换热器壳程流体介质流动与传热的影响。

在换热器外部尺寸相同的情况下，通过对换热管束的排列方式，折流板间距和折流板窗口圆缺高度以及折流板厚度等的改变来进行分析。

研究得到几种不同换热器结构下壳程流体的速度矢量场云图、压力场云图和温度场云图。

并且得到壳程进出口压降、换热系数、换热器性能系数随折流板间距或壳程流速变化的特性曲线。

研究分析管壳式换热器的壳程流动与传热问题可有利于提高换热器的传热效率，降低能源消耗，对于减少成本投资，提高企业的经济效益具有重要意义，同时可为换热器理论设计研究作参考。

1.2换热器简介1.2.1换热器的分类为了满足工业生产上的各种不同需求，出现了材质、工作条件和用途各不相同的换热设备类型，根据作用原理或传热方式不同，可将换热设备分为以下几种主要形式[7][8]。

1.直接接触式换热器，此种类型换热设备又被称作为混合式换热器，它是利用冷流体与热流体二者之间相互接触，彼此间相互混合进而使热量得以交换的换热器。

如冷却器、冷却塔、冷凝器等。

此类型换热器单位容积能够提供的换热面积大、换热效率比较高、整体设备结构也相对简单、制造成本较低。

但使用场合较窄，只有在工艺上允许两种流体相互混合的情况下才能使用。

2.蓄热式换热器，此种类型换热设备又被称为回热式换热器，蓄热式换热器通过基质或填料等介质的短暂能量储存，把热量从一种流体传递给另外一种流体。

蓄热式换热器单位体积换热面大、制造成本不高、结构较为紧凑，比较适合于两交换介质均为气体的热交换情况。

如固定床蓄热式换热器、回转形式的空气预热器等。

3.间壁式换热器，此种类型换热设备又被称为表面式换热器。

这种类型换热器通过自身的间壁将进行换热的冷流体与热流体相互隔离开来，两种流体互不接触，相互之间也不干扰，通过间壁将热流体的热量交换给冷流体的换热器。

间壁式换热器是实际生产中使用最为广泛的换热设备，它的型式有很多种，如最常见的管壳式换热器、夹套式换热器、板式换热器等。

4.中间载热体式换热器，此种类型换热设备是将两个间壁式换热器通过在其中不断循环的载热体而彼此连接起来的换热器。

由于载热体在低、高温两种换热器间来回循环，将高温流体的热量逐渐传递给低温流体，从而使高温流体温度降低，低温流体温度升高，如热管式换热器等。

1.2.2管壳式换热器管壳式换热器是间壁式换热器中最普遍的一种换热设备，介于它的使用范围非常广而且其结构型式也很多，管壳式换热器大体上可以分为以下几种类型：U型管式换热器、固定管板式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器[9]。

它们有一个共同的结构特点，那就是都有金属圆形的壳体，壳体内部安装排放整齐的换热管束，所谓的管程就是流体流介质经换热管内的通道，流体介质流经壳体内壁与换热管外壁之间的通道称之为壳程。

冷流体与热流体主要通过换热管外壁面来进行热量的交换。

一、U型管式换热器下图1.1所示为U型管式换热器的通用结构模型。

此类换热器结构特点：仅有一块管板。

许多U型管束整齐排放组成了换热管束，所有U型换热管的两端全部都安装在一块管板上，换热管能够自由的移动，因此，可以不必考虑热应力对换热器产生的影响，其热补偿能力非常好。

制造工艺比较简单，能承受较高的压力，成本较低是U型管式换热器的优点，比较适用于换热管壁与壳壁间温度差较大或者壳程流体易结垢并且需要清洗，但又适合采用其他换热设备的场合。

图1.1U型管式换热器二、固定管板式换热器所谓的固定管板式换热器就是换热器两端有两块固定管板，管板和壳体用焊接的方法安装在一起。

其代表性结构型式如下图1.2所示，此种类型的换热器结构相对简单，当换热器壳体直径相同时，它的换热管排布数量最多，其结构非常紧凑，适应性比较强。

换热管束被两固定管板固定支承，使换热器更加稳定，振动幅度较小，任意换热管都可以被清洗，但是壳程很难被拆卸清洁。

所以壳程通道适宜走清洁干净、难于结垢的介质。

如果换热器壳体与换热管温度或材料自身的线膨胀系数彼此间差距相对较大时，换热器壳体与换热管束之间就会产生一定大小的热应力，因此为了减小热应力的破坏，一般都安装挠性管板和膨胀节等配套元件，但温差热应力只能被降低不能够被完全吸收。

所以当温差相差较大时，此种类型换热器将不能适用。

图1.2 固定管板式换热器三、浮头式换热器下图1.3所示为浮头式换热器常见结构型式，换热器的两个管板仅有一个和壳体固定焊接在一起，另外一个管板可以相对壳体往复的移动，被称作为浮头。

此种类型换热器的壳体与换热管束对热应力作用的影响是可变的，因此，当两种流体的温度差相差较大时，温差应力也不会对换热器产生很大破坏。

浮头是可以拆卸的，便于换热管的清洁和维护修理。

浮头式换热器比较适用于管壁与壳壁之间温度相差较大，流体介质易于结构和腐蚀的情况。

图1.3浮头式换热器四、填料函式换热器下图1.4所示为填料函式换热器的普遍结构型式。

此种类型换热器和浮头式换热器的结构十分相似，换热器的浮头裸露在壳体外侧，浮头和壳体相互接触的表面处用填料函来密封。

当流体介质腐蚀性强、温度差相差较大且需要经常更换换热管时，应用填料函式换热器比其他类型换热设备的换热效果强很多。

目前工厂中使用的填料函式换热器直径都相对较小，一般直径都小于700mm，在操作压力和温度较高的条件下，大直径填料函式换热器的使用情况就加更少了。

图1.4填料函式换热器1.2.3换热器的发展方向换热器的种类多种多样，但管壳式换热设备在化工、石油化工生产中占据主导地位，特别是在介质有腐蚀性或高温场合的作业中更能突显出其优势。

管壳式换热器具有安全可靠性高、能适合多种场合等优点，被最为广泛地应用到各工业领域。

最近几年，虽然受到了另一些新类型换热器的挑战，但因此也促进了其本身的发展与进步。

当今，换热器正朝着大型化和高参数的情况发展，但管壳式换热器仍为研究重点。

全球范围内各国在对提高此种类型换热器性能所展开的分析研究中，最主要的还是强化传热技术，适应高参数与各种有腐蚀物料的耐腐蚀性材料，以及为大型化发展所作的结构改进[10][11]。

能源短缺是21世纪面临的最大挑战之一，越来越的人已经关注传热技术的发展。

为了节约资源和能源，以适应时代的要求，需要开发一种低成本，高效能的换热设备，即使在环境温度变化较小时，也可以获得大的高效传热表面的热通量。

未来几年，应该研制用尽量小的温度差，较小的换热面积来输送相同多热量的换热设备——“高效能换热器”[12]。

“高效能换热器”的结构将会较为复杂，需要较为高级的设计与分析技术。

运用数值模拟方法来研究换热器的传热已经成为一种新的研究方向，特别是在换热器的壳程流体与传热问题方面。

1.3管壳式换热器强化传热技术1.3.1强化传热原理及途径在单位时间内，使换热设备在单位传热面积上能够传递的热量尽可能多，被称之为强化传热。

强化传热技术能够通过提高热量传递的速率来很好的改善换热器的传热性能，从而用最低的成本完成传递额定热量的目的[13][14]。

强化传热技术主要是通过改变换热设备传热过程中的多种影响因子，从而达到使换热设备在单位换热面积基础之上单位时间内能交换更多的热量[15][16]。

换热器强化传热的目的主要有：提高其现有的传热能力，增加传热量，使换热器在不增加其他大型设备投入的时也能够很好的完成额定传热目的；尽可能的缩小换热设备的体积，减少传热面面积，从而达到节省材料的目的；减少换热过程中功率的消耗，尽量控制高温元件处的温度，这样可以避免热量浪费并且能够保持换热器稳定长期安全的运行。

实现对换热设备的强化传热，要同时达到上述所有的目的是非常困难的，因为这些目的和实现过程中的条件是相互制约着的，只能达到其中的一个或几个，不能同时达到。

所以我们要明确对换热器强化传热的主要目的，之后通过分析研究，选择一种较为合适的传热方法。

由公式m Q KA t =∆可知，要实现换热器的强化传热过程，可以通过增大传热面面积（A ）、增大传热平均温差（m t ∆）和提高传热系数（K ）值等几种方法来实现。

1.增大传热面面积增大传热面面积是实现换热器强化传热一种非常有效的途径。

延伸表面传热面或采用较小直径换热管二者都可以增大传热面面积。

换热管的管径越小，其耐压性能也就越高，在相同的重量下，换热管束的总体表面积则会越大。

延伸表面传热面，能够增大传热面面积和提高传热系数K 值，但反过来会引起壳程压降过大等一系列负面影响[17][18]。

2.增大换热平均温度差实现增大换热平均温度差的途径主要有以下两种：第一种方法就是在冷、热流体介质进出口的温度保持恒定的情况下，改变换热器内传热面积的分布来影响换热器的平均传热温度差。

可以应用换热网络技术，冷流体和热流体之间最好保持逆流流动等；第二种方法就是尽量使冷流体与热流体的进出口温度差相差较大以此来增大换热平均温度差[19][20]。

但是一般情况下，设计换热器时冷、热流体的进出口温差已经确定，不可以轻易改变，所以此种方法的适用范围比较狭窄。