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      哈雷釬焊板式換熱器
      專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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      管殼式換熱器殼側流場的研究進展

      點擊:1581 日期:[ 2014-04-20 00:59:04 ]

      管殼式擋板換熱器中流體流動與換熱是相當復雜的。首先,殼側流體在殼間的流動時而垂直于管壁,時而平行于管束,當穿過擋板的開孔處時,還有一部分流體從擋板與管子間的間隙中泄漏。其次,管內流體與管外流體之間的熱交換是耦合在一起的。對這樣復雜的流動與換熱過程的換熱器設計計算都假設流動是一維穩態的,管內和管外兩種流體相互平行(同向或逆向流動),總傳熱系數K沿著軸向方向均勻不變等。然而隨著研究的不斷深入,對這些假設是否合理產生了懷疑。因此,有不少學者從事換熱器殼程模擬工作,進行幾方面的研究:①管殼式換熱器的性能優化與殼側流場的關系。②換熱器經常由于振動而失效,振幅和頻率依賴于殼程流體流過管束的速度大小。上述假設未能揭示出不均勻流動所帶來的影響,不能對管子熱應力的計算提供可靠的依據。另外,許多失效是在開始或關閉流體時產生的,因為這時熱應力最大。因此要分析熱應力,僅進行穩態分析是不夠的,還要進行瞬態模擬。③換熱器中污垢的形成和不均勻的溫度和速度的關系。

      1管殼式換熱器殼側流場模擬現狀

      1.1殼側無相變

      應用計算流體力學進行換熱器模擬最早是由Patankar在1972提出來的[1],但由于受到計算機條件和計算流體力學的限制,研究進展緩慢。80年代由于核電廠換熱設備向大型化、高參數化發展,促進了這方面的研究,開發了大型通用軟件如PHOENICS、FLOW3D,使復雜的流場分析得以實現。管殼式換熱器殼側單相流場是一個復雜的三維流動過程,不借助于一定的假設或模型,對工業規模的換熱器的每一個細節全部模擬出來,從而確定流動阻力與換熱系數,還未見有報導。原因之一是受到計算機容量的限制。因此,大多數文章都是解連續的Navier Stroke 方程,并對殼側中的傳熱管和擋板等使用Patankar提出的分布阻力概念,以考慮殼側的固體表面對流體流動的影響。殼側的管子、隔板、擋板等看成是多孔介質,用體積多孔度β表示流體占有的空間對整個名義空間的百分比。文獻[1]的研究對象如圖1結構,5管程,殼側有2塊擋板,換熱器簡化為矩形截面。在實際情況中,這種矩形式的管殼式換熱器是不存在的,以它為研究對象只是為了說明流動模擬技術。
       
      圖1換熱器幾何模型

      將所研究的空間劃分網格后,將NS方程組和有關方程、邊界條件等用有限元或有限差分法離散轉化為代數方程,求解后得到速度場和溫度場。圖2、圖3是換熱器殼側速度分布情況,從圖2可以看到穩態下的速度分布是不均勻的,特別是在一些地方,如圖2左上角的流動方向,和一般認為的流動方向相反。所以盡管網格劃分粗,計算精度不高,不能準確地得到管束區的流動情況,但能比常規設計方法得到更多的信息。
       
      圖2換熱器中心xz平面速度分布


      圖3換熱器xy平面速度分布

      1982年W T Sha 認為管束多孔度是各向異性的[2],僅利用分布阻力和體積多孔度不能獲得真實的流場速度,提出了表面滲透度的概念,必須綜合應用體積多孔度、表面滲透度和分布阻力修改NS方程,以恰當地說明殼側中管束、支撐板、擋板等的影響。W T Sha提出這個物理模型后,對蒸汽發生器進行了計算,并通過實驗得到了進一步的驗證,為了進一步獲得擋板附近的流動狀態,加拿大的C Zhang模擬了圓環-圓盤擋板換熱器殼側流場,發現圓盤和圓環后面出現了大的再回流區和尾流區[3]。

      1.2殼側冷凝[4,5]

      殼側冷凝的管殼式換熱器是工業中大量應用的換熱設備。從Nusselt開始,前人在冷凝傳熱方面做了大量的工作,但在冷凝器中由于復雜的傳熱傳質過程,設計只能使用經驗方法確定傳熱系數和傳熱面積。這些經驗和半經驗關聯式,并不能準確地進行冷凝器的熱力設計,特別是當考慮存在不凝性氣體或管束淹沒效應時,傳統的冷凝理論對許多現象都無法做出圓滿的解釋,因此較精確的設計只能依賴計算機進行冷凝器流場模擬。用數值方法預測冷凝器流場,得到換熱系數、壓力及冷凝率在殼程的分布,這些信息能提供給設計人員關于管束不同排列、擋板間距、不凝性氣體及淹沒效應等對冷凝器性能的影響,以獲得最佳設計,減少設備投資。應用成功的例子是電站表面冷凝器和蒸汽發生器。

      從大量報導的文獻來看,由于計算機容量和速度的限制,目前冷凝器的模擬仍要借助于多孔介質的概念,管束用各向異性多孔介質來代替。所以預測精度不僅依賴于所用的傳熱、壓降關聯式,還與管束等殼側流動障礙物在數值模型中如何表達有關。

      對殼側冷凝的管殼式冷凝式換熱器,當流體橫流過管束時可能出現分層流、噴霧流及泡狀流等流型,所以當進行冷凝模擬時涉及到如何確定兩相流型和兩相之間的相互作用力等。目前采用的一種方法是假設均相流動,另一種方法是假設兩相完全分離的流動即兩相模型。第一種方法已成功地應用于高壓蒸汽發生器的分析,后一種方法應用于分析低壓冷凝器。然而,在工程應用中冷凝器或發生器,是介于兩種模型之間的某種流動,而目前還沒有更好的模型能模擬。在兩相流動模擬中,要考慮相間的質量、動量和能量傳遞,因變量大大增多,其計算費用遠大于均相模擬,因而只有在確信相間滑移時,才使用兩相模型,但要確定這一點,通常是用兩類模型進行同一計算,然后根據計算結果判斷兩者是否有實際意義。

      2管殼式換熱器殼側流場實驗進展[6,7]

      殼側流動是一個復雜的三維流動過程,由于受到實驗條件和測試技術等多方面因素的限制,實驗測定殼側流動分布很少有報導,所以流動分布通常理想化為一維流動,多流路模型。1957年,Gupta在小玻璃換熱器中,首次利用跟蹤粒子較粗略地顯示了殼側流動情況。1988年,HTFS(美國傳熱研究所)的Murray在他的博士論文實驗中,提出用染料技術研究管殼式換熱器中流體流過管束時的流動情況。1993年,L E Hasler報導了用神經密度粒子技術和傳感壓力管測量弓形擋板換熱器管束間的叉流速度分布和壓降,為計算機模擬建立更好的模型打下了一定基礎。

      對殼側冷凝的管殼式冷凝器,除了復雜的殼側結構外,還要考慮復雜的兩相流動測量問題,所以流場測量難度相當大,至今所報導的文獻中僅是對某些部位的溫度和壓力的測量,而對管束間的空隙率和相速的測量還沒有好的方法。所以,目前對冷凝器的流場研究,還只是停留在數值模擬階段,所提出的大量數值模型,還無法用實驗驗證。

      3管殼式換熱器殼側流場研究發展趨勢

      前面介紹的管殼式換熱器設計方法仍被廣大的設計人員使用,因為程序使用方便,價格便宜,在一般微機上即可運行,而流場模擬軟件則與之相反。目前國外利用PHOENICS、FLOW3D等大型通用流場軟件已在模擬蒸汽發生器、冷卻塔及電站冷凝器方面進行了一定的工作,但對石油、化工部門廣泛使用的管殼式換熱器卻很少問津,國內這方面的工作也未見有報導。鄭州工業大學承擔國家95攻關項目,對管殼式換熱器流場進行模擬研究,已取得了階段性成果?,F在用得成功的PHOENICS流場模擬軟件能解決三維層流或湍流、單相或多相、穩態或瞬態問題的傳熱、流動模擬,但也有一定的局限性。因此開發通用的管殼式換熱器殼側流場模擬軟件是必要的,但此通用軟件必須建立在準確的物理、數學模型和有效的數值模擬方法的基礎上,重點解決以下其它軟件不能解決的問題:①分析各種單相換熱情況下流速分布、溫度變化規律及組分濃度變化規律,確定殼程各處的傳熱系數與壓降。②通過模擬計算,能得到某一工況下的最佳換熱性能所必須采用的結構,而不是某一結構下的最佳性能。③對于有殼側冷凝的情況,要對流型進行正確確定,根據不同的流型確定數學、物理模擬模型。詳細地預測殼側各處的冷凝率、冷凝率與不凝性氣體的關系及淹沒效應與傳熱系數的關系,從而使設計條件下運行的冷凝器達到最優工況。④對殼側多組分冷凝(包括不凝氣和不互溶物系的冷凝)進行模擬。

      另一研究方向是流場測量方面,用測量儀器對真實設備特別是管束間進行流速、壓力及溫度等測定,以驗證理論模擬的正確性。在流場測試方面可做的工作有:①開發新的流場測試設備目前已有的流場測量儀器價格昂貴且使用原理復雜,若能開發出價格便宜,且測量精度高的測試設備,則頗具應用推廣前景。②開發新的測試技術目前測量單相流場的測速方法很多,如粒子示蹤、多譜勒轉速儀等,但對兩相流場管束間的多個相速,冷凝率及空隙率的測量方法還很不成熟。

      以上諸方面的研究,其最終目的是為換熱器的優化設計、揭示流體誘導振動機理以及減少溫差應力引起的失效等方面提供理論依據。


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