化工生产设的优化设计实例.doc

化工生产设备的优化设计实例 ——高效节能帘式折流片换热器介绍 过程装备与控制工程 盛遵荣（20100360116） 摘要：在提出壳程流态“斜向流”的设计理念后，郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室开发了一种新型节能管壳式换热器——帘式折流片换热器。该换热器采用导向型折流栅，实现了壳程流体斜向流动，对流体的扰动效果明显强于折流杆，壳程传热系数显著升高，高于折流杆换热器20-30％，尤其在壳程Re较高时更为显著，而且压降比弓形折流板换热器有大幅度降低。故斜向流管壳式换热器有显著的强化传热和流动减阻效果，尤其适合于要求较高的传热系数而流体外加动力有限的场合，为我国工业生产设备的优化和节能降耗提供了新技术。 关键词：管壳式换热器；斜向流；数值模拟；强化传热；流动减阻 前言：换热设备技术落后是造成当前我国能源有效利用效率低下的重要原因之一，高效节能换热设备研究开发是当今工程节能的重要途径。随着常规能源的日益短缺，现代工业生产对能源消耗要求的进一步提高以及工业再生产规模的不断扩大，如何保证在安全、高效生产的前提下实现能源的高效利用，已受到世界各国的广泛关注，与之相关的各种研究也已成为学术界和各工程部门的热点。 换热器不仅是石油、化工、化肥、动力、冶金、交通等众多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备，也是余热回收利用的有效装置。管壳式换热器是目前热力系统中最为常用的换热设备结构形式。管束支撑物是壳程的关键结构，可使壳程流体产生期望的流动形态，是决定换热器传热和流阻性能的重要因素，不同的壳程流体流动形态使换热器传热和流动阻力等性能呈现出很大的差异[1]。 按壳程流体流态划分，管壳式换热器可分为横向流、纵向流和螺旋流三种类型。传统折流板换热器壳程流体横向流动，对换热管冲刷强烈，但易产生流动与传热死区，换热面积无法充分利用，流动阻力大、易结垢，而且壳程流体流速较高时易产生诱导振动破坏，因而使用场合有一定的局限性[2-3]；折流杆换热器实现了壳程流体纵向流动，表现出更优的传热、低流阻、抗振和抗垢性能，但也有结构不够紧凑和在低Re工况下传热效果不佳的缺陷；螺旋折流板换热器实现了壳程流体螺旋流动，流体流速变化较为平缓，并可有效消除死区和返混现象，但因其制造和安装难度大，故未能得到广泛应用[2, 4-6]。 为解决目前管壳式换热器的不足，郑州大学古新专家和董其伍教授等人采用壳程流体斜向流动的方式达到强化传热和流动减阻目的的新思路和新方法，并基于此研究开发了一种具有新型管束支撑结构的高效节能管壳式换热器——帘式折流片换热器。 1 帘式折流片换热器设计介绍 1.1 结构介绍 该换热器核心构件为导向型折流栅。采用导向型折流栅支撑换热管束，折流栅由若干片形状特殊的折流片平行放置，并保持折流片中面与管束轴线呈一定夹角后，两端焊接在折流圈上组合而成，加工制造简便，可在专用模具中组合焊接成形。换热管嵌入折流片边缘上的孔槽，折流栅在壳程内沿管长方向等距排列。通过相邻折流栅上的折流片可实现换热管在横向和纵向位置上的完全支撑和定位，如图1所示。根据相邻两折流栅上折流片不同的旋向，折流栅的装配方式有同向、正交和对称三种类型，装配方式灵活，便于实施换热器操作条件的调节。 图1 帘式折流片换热器壳程结构示意图 图2 帘式折流片换热器壳程流体流动状态 导向型折流栅起到如下作用：1支撑和定位换热管；2相邻折流片之间形成倾斜流道，致使流体受迫产生射流，吸卷和扰动作用强烈，有助于提高主流的湍动程度和平均流速；3折流片外缘上的突起部位对换热管间的流体提供较强的扰动作用，在其后产生旋涡尾流，提高了壳程流体的局部湍流度；4在折流片上所开的小孔进一步增加流体的扰动，降低流动阻力。 斜向流作用效果（见图2），实际上是将横向流换热器壳程主流区的横向流动分散为多股受迫倾斜流动，将横向流换热器壳程流动死区予以分散并凭借特殊管束支撑结构特点予以部分消除，通过管束支撑结构的导流作用，避免了流体因受横向阻挡产生的速度剧烈变化和动能损失，同时还有效利用了横向流对换热管更为强烈的冲刷作用引起强化传热效果。其总体上的纵向流动趋势，又在一定程度上继承了纵向流换热器抗振性能好、除垢防垢效果强、综合性能优等特点。 1.2 结构参数介绍 对于帘式折流片换热器，影响传热和流阻性能的结构参数主要有两个，1折流片倾角，即折流片与换热管轴向的夹角，以Φ表示；2折流栅的装配方式，即根据相邻两折流栅中折流片不同的旋向分为同向、正交和对称三种装配方式。改变这些因素，可得到不同结构组合。通过对不同结构组合在不同工况下的数值模拟分析，能够发现不同的结构参数对帘式折流片换热器壳程流体流动和传热性能的影响规律，为帘式折流片换热器的结构改进、性能优化提供依据。 1.2.1 模拟方法介绍 计算模型采用周期性全截