在石化和化工制藥設備的換熱器系統(tǒng)中,管殼式換熱器以其結構堅固、可靠性高、適應性強等優(yōu)點在化工生產和使用中一直占主導地位,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計和使用中,積極考慮強化傳熱的新技術、新工藝,以提高能源利用率、減少金屬材料的消耗,對推進石油化工制藥行業(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與換熱的工作機理,文中利用FLUENT軟件,在殼程?流體流速設定值不斷改變的情況下,對縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動與換熱進行了三維數(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、速度場、質點跡線圖、殼程傳熱膜系數(shù)分布圖等。?根據(jù)模擬得到的結果,從多個方面對縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動與強化傳熱進行了探討。模擬結果?與實驗結果進行了比較,二者誤差約在±11%以內,吻合良好。

?????應用計算流體力學模擬管殼式換熱器無相變殼程流場,早是在1974年提出,但由于當時受到計算機與計算流體力學條件的限制,研究進展?緩慢[1]。20世紀80年代以來,換熱器數(shù)值模擬研究才有了較快的開展。對于國內外換熱器數(shù)值模?擬研究,采用二維研究的較多[2]。三維研究方面,?國內外學者也做了很多工作,特別是對復雜結構?的管殼式換熱器換熱性能數(shù)值模擬研究,國外較多學者采用復雜結構的換熱管或者管程內插物來模擬研究其對流體流動與換熱的影響,例如:螺旋?槽管、波紋管、內插螺旋紐帶等。然而,國外和國?內的學者很少有人用數(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其對換熱器綜合換熱性能的影響。
從管殼式換熱器殼側管束支撐方式和強化傳熱的角度,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構,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,而目前常用的螺旋折流板軸向搭接方案則開啟了一條指向下游的旁通捷徑,將影響繞行主流正常流動和傳熱。
隨著全球能源和環(huán)境危機的凸顯,節(jié)能減排日益成為各國能源與環(huán)境戰(zhàn)略制定和能源相關行業(yè)研發(fā)應用的重要考慮因素。換熱器強化傳熱作為有效的節(jié)能措施也逐漸成為一個熱點研究領域。

????換熱器是一種普遍使用于各行業(yè)的過程設備,?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用場合,并且能夠適合各種傳熱傳質過程,具靈活性。管殼式換熱器的強化傳熱分為管內和管外兩方面,?其中殼側流動與換熱越來越成為這種換熱器、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起著支撐管束和?約束殼側流體介質的流動通道的作用。初的折流?板形式為弓形,后來又衍生出其他類型。

????1.?1弓形折流板換熱器

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

????由于弓型折流板結構簡單,制造、安裝比較容易,因而應用普遍,但也存在一些弊端,如有流動?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度轉向過程中對管束產生更多的擾動力,在較高的質量流速下易誘導換熱管的振動,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，內部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，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，適用于易結垢的流體。
流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。圖示為簡單的單殼程單管程換熱器，簡稱為1-1型換熱器。為提高管內流體速度,可在兩端管箱內設置隔板，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用。