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管殼式換熱器由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型：
①固定管板式換熱器管束兩端的管板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機(jī)械清洗時(shí)的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力又不太高時(shí)，可在殼體上安裝有彈性的補(bǔ)償圈，以減小熱應(yīng)力。
②浮頭式換熱器管束一端的管板可自由浮動(dòng)，完全消除了熱應(yīng)力;且整個(gè)管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。
③ U型管式換熱器 每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管箱內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但管程不易清洗。
④渦流熱膜換熱器渦流熱膜換熱器的渦流熱膜傳熱技術(shù)，通過改變流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來增加傳熱效果，當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過渦流管表面時(shí)，強(qiáng)力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。高可達(dá)10000W/m2℃。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結(jié)垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對(duì)流換熱系數(shù)降低。
換熱器性能
特點(diǎn)
1.節(jié)能，該換熱器傳熱系數(shù)為6000-8000W/m2.0C。
2.全不銹鋼制作，使用壽命長，可達(dá)20年以上。
3.改層流為湍流，提高了換熱效率，降低了熱阻。
4.換熱速度快，耐高溫（400℃），耐高壓（2.5Mpa）。
5.結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，重量輕，安裝方便，節(jié)約土建投資。
6.設(shè)計(jì)靈活，規(guī)格，實(shí)用針對(duì)性強(qiáng)，節(jié)約資金。
7.應(yīng)用條件廣泛，適用較大的壓力、溫度范圍和多種介質(zhì)熱交換。
8.維護(hù)費(fèi)用低，易操作，清垢周期長，清洗方便。
9.采用納米熱膜技術(shù)，顯著增大傳熱系數(shù)。
10.應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，可廣泛用于熱電、廠礦、石油化工、城市集中供熱、食品醫(yī)藥、能源電子、機(jī)械輕工等領(lǐng)域。
在石化和化工制藥設(shè)備的換熱器系統(tǒng)中,管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在化工生產(chǎn)和使用中一直占主導(dǎo)地位,被廣泛使用在精餾塔的塔頂冷凝器、冷卻器和塔底再沸器等。在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和使用中,積極考慮強(qiáng)化傳熱的新技術(shù)、新工藝,以提高能源利用率、減少金屬材料的消耗,對(duì)推進(jìn)石油化工制藥行業(yè)的節(jié)能減排工作有著重要意義。
為了研究縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程流體湍流流動(dòng)與換熱的工作機(jī)理,文中利用FLUENT軟件,在殼程?流體流速設(shè)定值不斷改變的情況下,對(duì)縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動(dòng)與換熱進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。得?到了多螺旋流管殼式換熱器在不同的殼程流體流速下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、質(zhì)點(diǎn)跡線圖、殼程傳熱膜系數(shù)分布圖等。?根據(jù)模擬得到的結(jié)果,從多個(gè)方面對(duì)縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了探討。模擬結(jié)果?與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,二者誤差約在±11%以內(nèi),吻合良好。
?????應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)模擬管殼式換熱器無相變殼程流場(chǎng),早是在1974年提出,但由于當(dāng)時(shí)受到計(jì)算機(jī)與計(jì)算流體力學(xué)條件的限制,研究進(jìn)展?緩慢[1]。20世紀(jì)80年代以來,換熱器數(shù)值模擬研究才有了較快的開展。對(duì)于國內(nèi)外換熱器數(shù)值模?擬研究,采用二維研究的較多[2]。三維研究方面,?國內(nèi)外學(xué)者也做了很多工作,特別是對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)?的管殼式換熱器換熱性能數(shù)值模擬研究,國外較多學(xué)者采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)的換熱管或者管程內(nèi)插物來模擬研究其對(duì)流體流動(dòng)與換熱的影響,例如:螺旋?槽管、波紋管、內(nèi)插螺旋紐帶等。然而,國外和國?內(nèi)的學(xué)者很少有人用數(shù)值模擬的方法去研究插入?物插入管殼式換熱器殼程而不是管程時(shí)其對(duì)換熱器綜合換熱性能的影響。
1 模擬模型
????模擬采用的換熱器為單管程、單殼程和螺旋扭?片結(jié)構(gòu)。換熱器以正方形布管,圖1為螺旋扭片的?Pro/e三維立體示意圖。圖2為換熱管與螺旋扭片?之間定位關(guān)系示意圖。
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????由于縱向多螺旋流管殼式換熱器的殼程結(jié)構(gòu)比?較復(fù)雜,采用四面體網(wǎng)格劃分,管程采用六面體網(wǎng)格?劃分。此模型中邊界類型有4種:進(jìn)口、出口、管壁?和殼壁[4-5]。模擬模型的數(shù)學(xué)形式建立時(shí),主要考慮?設(shè)置管程、殼程內(nèi)流體滿足控制守恒的連續(xù)性方程、?質(zhì)量方程、動(dòng)量方程以及能量方程等。因殼程流體?處于湍流狀態(tài),進(jìn)一步設(shè)置湍流k-ε模型。相關(guān)設(shè)?置完成后,進(jìn)行了迭代計(jì)算,每次迭代210次左右?時(shí),計(jì)算收斂,進(jìn)行其殘差曲線的分析。
隨著能源和環(huán)境危機(jī)的凸顯,節(jié)能減排日益成為各國能源與環(huán)境戰(zhàn)略制定和能源相關(guān)行業(yè)研發(fā)應(yīng)用的重要考慮因素。換熱器強(qiáng)化傳熱作為有效的節(jié)能措施也逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。
????換熱器是一種普遍使用于各行業(yè)的過程設(shè)備,?其中管殼式換熱器約占換熱器總量的70%,作為常用的一類換熱器,特別適合于高溫高壓的應(yīng)用場(chǎng)合,并且能夠適合各種傳熱傳質(zhì)過程,具靈活性。管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱分為管內(nèi)和管外兩方面,?其中殼側(cè)流動(dòng)與換熱越來越成為這種換熱器、完善的[1-2]。
管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。
流體每通過管束一次稱為一個(gè)管程；每通過殼體一次稱為一個(gè)殼程。圖示為簡單的單殼程單管程換熱器，簡稱為1-1型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。
管殼式換熱器由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可分為以下幾種主要類型：
①固定管板式換熱器管束兩端的管板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機(jī)械清洗時(shí)的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力又不太高時(shí)，可在殼體上安裝有彈性的補(bǔ)償圈，以減小熱應(yīng)力。
②浮頭式換熱器管束一端的管板可自由浮動(dòng)，完全消除了熱應(yīng)力;且整個(gè)管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。
③?U型管式換熱器?每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管箱內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但管程不易清洗。
④渦流熱膜換熱器渦流熱膜換熱器采用新的渦流熱膜傳熱技術(shù)，通過改變流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來增加傳熱效果，當(dāng)介質(zhì)經(jīng)過渦流管表面時(shí)，強(qiáng)力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。高可達(dá)10000W/m2℃。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了耐腐蝕、耐高溫、耐高壓、防結(jié)垢功能。其它類型的換熱器的流體通道為固定方向流形式，在換熱管表面形成繞流，對(duì)流換熱系數(shù)降低。
