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(wú)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(lái),換熱器數(shù)值模擬研究才有了較快的開(kāi)展。對(duì)于國(guó)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(guó)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(guó)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(lái)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(guó)外和國(guó)?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。
從管殼式換熱器殼側(cè)管束支撐方式和強(qiáng)化傳熱的角度,綜述了從弓形折流板換熱器、折流桿式換熱器到螺旋折流板式換熱器的研究進(jìn)展,特別介紹了一種適合正三角形布管的三分螺旋折流板換熱器的新型結(jié)構(gòu),并指出非連續(xù)折流板螺旋換熱器中相鄰折流板形成的三角區(qū)的泄漏是方向指向上游的有益流動(dòng),而目前常用的螺旋折流板軸向搭接方案則開(kāi)啟了一條指向下游的旁通捷徑,將影響繞行主流正常流動(dòng)和傳熱。
隨著全球能源和環(huán)境危機(jī)的凸顯,節(jié)能減排日益成為各國(guó)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(guò)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(guò)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(lái)越成為這種換熱器、完善的[1-2]。
1.不同換熱器管束支撐方案

????管殼式換熱器中的折流板同時(shí)起著支撐管束和?約束殼側(cè)流體介質(zhì)的流動(dòng)通道的作用。初的折流?板形式為弓形,后來(lái)又衍生出其他類型。

????1.?1弓形折流板換熱器

????流體在弓形折流板換熱器殼側(cè)的流動(dòng)是沿反復(fù)曲折通道前行的,流動(dòng)方向的周期性變化可以反復(fù)以橫掠的姿態(tài)沖刷管束,提高流速,增大殼側(cè)的換熱系數(shù)[3]。弓形折流板換熱器殼側(cè)的流動(dòng)狀況如圖1所示。

????由于弓型折流板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造、安裝比較容易,因而應(yīng)用普遍,但也存在一些弊端,如有流動(dòng)?死區(qū),沿程壓降較大,容易積垢。由于在弓形折流板窗口處管束的支撐距離是中部管束的兩倍,該區(qū)域?流體在完成180度轉(zhuǎn)向過(guò)程中對(duì)管束產(chǎn)生更多的擾動(dòng)力,在較高的質(zhì)量流速下易誘導(dǎo)換熱管的振動(dòng),從而成為換熱管破壞的主要原因,縮短了換熱器的使用壽命[4]。
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(guò)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(guò)管束一次稱為一個(gè)管程；每通過(guò)殼體一次稱為一個(gè)殼程。圖示為簡(jiǎn)單的單殼程單管程換熱器，簡(jiǎn)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(guò)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(guò)殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。