管壳式换热器壳侧流场研究进展三通管

管壳式换热器壳侧流场研究进展

管壳式换热器壳侧流场研究进展 2011年12月09日 来源： 　　　分类号　TQ 051.5　TQ 050.1Study progress of shellside fluid-flow in the shell-and-tube Heat exchangerDoctoral student Guo Chaxiu　Professor Li Peining (East China University of Science and Technology,Shanghai 200237)Professor Dong Qiwu　Professor Liu Mingshan(zhengzhou Unirersity of Technology,Zhengzhou 450002)　　Abstract　Using computational Fluid Dynamics techniques,the steady or unsteady flow patterns of shellside fluid are accurately predicted, the reasons of fluid induced vibration and thermal stresses caused by differences of temperature are explain. The simulation work helps to structural and behavior optimum designs for heat exchanger.The advances, development tendency and questions of the shellside flow pattern in shell-and-tube heat exchanger are introduced.　　Key words:heat exchanger, shellside flow pattern, fluid　　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

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