管殼式換熱器流動與傳熱的研究

鞠紅香

（四平職業(yè)大學(xué)，吉林 四平 136001）

0 引言

換熱器就是交換熱量的設(shè)備，借此設(shè)備實驗物料間的熱量交換，使能量從溫度較高的介質(zhì)傳輸?shù)綔囟容^低的介質(zhì)中，克服了之前很多的技術(shù)難題，因此換熱器也在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用.間壁式換熱器應(yīng)用最為常見，其中的管殼式換熱器更是廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中。換熱器傳熱效率的高低直接影響到了企業(yè)的生產(chǎn)效益的高低，因此，對于管殼式換熱器流體流動與傳熱的研究具有深遠的意義。

1 管殼式換熱器

管殼式換熱器是應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，因而管殼式換熱器大體可以分為以下幾種： ①固定管板式換熱器；②浮頭式換熱器；③U 型管式換熱器；④填料函式換熱器。

以上四種管殼式換熱器都存在一個共同的特點，就是它們的外殼都是金屬圓形的，殼體內(nèi)部都安置了排列整齊的換熱管束，冷熱流體就是在殼程內(nèi)流動，并通過換熱管外壁面進行熱量的減緩的。所謂殼程就是，換熱器換熱管內(nèi)的通道，殼體外壁與換熱管內(nèi)壁之間的通道統(tǒng)稱為殼程。

2 管殼式換熱器強化傳熱的技術(shù)

所謂強化傳熱，就是在換熱器單位面積在單位時間內(nèi)獲得的熱量足夠多。強化傳熱技術(shù)就是通過改變熱量在傳輸過程中的多個影響因子，從而達到強化傳熱的效果，進而增加傳熱量，提高現(xiàn)有的傳熱能力，事?lián)Q熱器能夠更好地達到額定的傳熱目的。

由公式Q=KAΔTm；要實現(xiàn)換熱器強化傳熱的過程，可采取三個途徑的改變： ①提高傳熱系數(shù)K；②增大傳熱面積A；③增大換熱平均溫差ΔTm。

3 換熱管束排列方式對換熱器流速與傳熱的影響研究

在換熱器的內(nèi)部，換熱管束是傳熱的媒介介質(zhì)，換熱管束的幾何形狀、排列方式以及尺寸大小對換熱的效率都有著十分重要的影響作用。當(dāng)量直徑較小的換熱管束，致使換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，雖然總的換熱系數(shù)是較大的，但是換熱器的制造工藝會非常的繁瑣，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊湊，也導(dǎo)致內(nèi)部容易結(jié)垢，而且清洗也不方便。當(dāng)量直徑較大的管束雖然結(jié)構(gòu)相對簡單，而且制造工藝也比較容易，但是其換熱系數(shù)是比較小的。對于不同當(dāng)量直徑下的管束，只能以對應(yīng)的流體性質(zhì)來選擇。因而，在流體介質(zhì)粘度較大或者相對渾濁時，我們采用當(dāng)量直徑較大的管束的換熱器，而流體介質(zhì)相對干凈，較低的粘度系數(shù)時，我們采用當(dāng)量直徑較小的管束的換熱器。由于換熱管束的尺寸大小和幾何形狀的不同，引起了流體的擾動程度的不同，進而影響流體的流動狀態(tài)的不同，所以我們可以控制改變流體與換熱管束的接觸面積和接觸時間，來影響換熱的效果。

傳統(tǒng)的換熱管束在換熱板上的排列方式有以下幾種類型；分別為正三角排列、正方形排列、轉(zhuǎn)角正三角形排列和轉(zhuǎn)角正方形排列。

4 折流板的結(jié)構(gòu)對管殼式換熱器流速與傳熱的影響研究

4.1 模型的建立及理論計算方法

（1）換熱器模型的基本信息情況：換熱管長度： 1500mm，殼程流體： 水，殼程直徑：Φ（273×8）mm，流體入口溫度：25℃，換熱管直徑：Φ（19×2）mm，殼程流體進口平均速速：0.5m/s，換熱管間距：25mm，折流板間距：240mm，換熱管束：56 根，折流板厚度：6mm，管程流體：水，管程溫度：45℃。

（2）模型建立及網(wǎng)格的劃分。假設(shè)流體為牛頓流體流動，各向連續(xù)，并且流體為不可壓縮流體；假設(shè)流體的本身物理屬性不隨時間等條件的變化而變化；因本文研究的為內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的管殼式換熱器，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以使用六面體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格對其很難進行劃分，否則就會造成網(wǎng)格數(shù)量及其龐大，也會造成計算精度的不準(zhǔn)確。所以我們在劃分網(wǎng)格時，采用了四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的相互配合，形狀規(guī)則處采用了六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而形狀不規(guī)則處采用了四面體的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。如此方法使網(wǎng)格數(shù)目大大減少了，同時也提高了計算的精度問題。

（3）換熱管束不同排列速度矢量分布示意圖。流體介質(zhì)在剛剛從課程入口進入殼程時，速度矢量是比較均勻的，但當(dāng)接近殼程出口時，因為換熱器進出口結(jié)構(gòu)的突變，導(dǎo)致了出口速度矢量的分布及其的不均勻，流體速度的變化范圍也是比較大的。

圖1 換熱管束四種排列方式下的速度矢量場云圖

在正三角形排列管束中，因為換熱管束的排列是非常緊湊的，這樣就會使冷流體由入口流入，繞過所有的換熱管束，這樣就會使換熱管束與冷流體的充分接觸，傳熱面積也就會較大，從而強化湍流運動，進而強化傳熱、換熱性能。而相對于轉(zhuǎn)角三角形排列管束，因存在順排換熱管束的存在，以至于流體在后排換熱管束時速度較小，流體與換熱管束的接觸也不是很充分，同樣換熱面積也沒有正三角形排列的大，換熱效果也沒有正三角形排列管束的好。

正方形排列管束，換熱管間成一條直線，流體流過時所受到的阻力很小，流速也是比較快的，湍流效果不是很明顯，換熱面積較小，換熱效果比較差。對于轉(zhuǎn)角正三角形排列，換熱管間成45°，冷流體與換熱管束接觸面積比較充分，換熱空間較大，流速相對較小，湍流作用不是很明顯。

圖2 不同換熱管束排列方式下的溫度場分布

4.2 不同換熱管束排列方式下的溫度場分布

由以上圖可以明顯觀察出，四種管束排列方式下的換熱效果最好的是正三角形管束排列，最差的正方形管束排列，轉(zhuǎn)角三角形排列與轉(zhuǎn)角正方形排列排在中間，轉(zhuǎn)角三角形排列的換熱效果比轉(zhuǎn)角正方形的換熱效果要好。

5 折流板結(jié)構(gòu)尺寸變化對殼程流動與傳熱的影響的研究

現(xiàn)代工業(yè)中比較常用的折流板為弓形折流板與圓環(huán)-盤式折流板。

5.1 數(shù)值的模擬與研究分析

取折流板間距分別為200mm、240mm、300mm、400mm，殼程速度矢量云圖如圖3 所示。從圖中易于觀察出，折流板的間距越大，流體介質(zhì)的流動速度越是緩慢。

圖3 折流板分別為200、240、300、400mm 時的速度矢量云圖

5.2 不同折流板間距下的溫度場分布

通過以上4 副不同折流板間距下的溫度場分布示意圖對比分析得到結(jié)論： 在一定的范圍內(nèi)，折流板的間距越大，換熱效果越是不好，要想得到較好的換熱效果，要取折流板較小的間距。

圖4 不同折流板間距下的溫度場分布示意圖

6 總結(jié)

本論文主要是從排列管束的排列 方 式，折流板的間距尺寸以及流體的流速三方面對管殼式換熱器的流速與換熱效果進行的了科學(xué)的研究，經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)： 在換熱管束4 中排列方式中，換熱效果最好的正三角形排列方式，其次依次是轉(zhuǎn)角三角形排列方式、轉(zhuǎn)角正方形排列方式，正方形的換熱效果是最差的。在一定范圍內(nèi)，折流板的間距越大換熱效果越好。

換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜，我們的研究也只是建立在殼體，換熱管束和折流板等結(jié)構(gòu)部件上，忽略了其他結(jié)構(gòu)部件的對換熱器流動與換熱的影響，所以存在一定的誤差。最后還是希望本論文對以后換熱器的設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的參考意義。

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