管壳式换热器壳程传热性能的相互比较
换热器是热力过程中的关键设备,广泛应用于能源、动力、化工、冶金、机械、交通、航空与航天等领域[1]。同时,换热器也是利用能源与节约能源的必要设备。管壳式换热器具有易于制造、成本较低、清洗方便、适应性强、处理量大、工作可靠以及选材范围广等特点,且能适用于高温高压的工况。传统的管壳式换热器多为弓形折流板换热器,这种换热器在具有管壳式换热器优点的同时,也有其自身的缺陷,如存在壳程流动死区、壳程压力损失较大、容易结垢以及容易发生管束诱导振动等。
近几十年来,国内外对管壳式换热器管内强化传热技术进行了大量的研究,取得了丰硕的成果,特别是从20世纪70年代开始对壳程传热强化技术广泛和深入的研究,使得管壳式换热器有了较大的发展和改进。通过改变壳程支承结构或采用新型强化传热管的方法,改善管壳式换热器的传热和流体流动性能,有效克服传统弓形折流板换热器存在的缺陷,加之一些新型高效管壳式换热器应运而生,因而管壳式换热器在激烈的竞争中得以生存和发展[2]。盘环形折流板换热器、折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器都是最近发展起来的新型高效管壳式换热器[2～4]。盘环形折流板换热器和折流栅换热器改变了传统管壳式换热器的壳程支承结构,分别用圆盘、圆环和折流栅代替弓形折流板的支承结构,从而改变了壳程流体的流动状态,改善了传热效果,提高了传热效率,目前这两种管壳式换热器已经成功运用于工业生产中。螺旋扭曲扁管换热器采用螺旋扭曲扁管作为换热管,壳程不设任何支承元件,螺旋扭曲扁管之间紧密接触,在换热器壳程形成螺旋形流道,同时也起到相互支承的作用,这种结构使管程流体和壳程流体均产生以旋转流为主要特征的复杂流动,获得较强的旋转扰动,从而较大地强化了传热过程,同时也大幅减小了壳程压力损失。
近年来,随着计算流体动力学和计算传热学的蓬勃发展,计算机硬件技术的提高使得采用数值模拟的方法对换热器进行模拟与仿真成为可能[5,6]。相对传统的试验研究方法而言,数值模拟方式具有以下突出优点:①易改变计算条件。②可研究复杂初边值条件下的流动与传热特性,具有灵活、费用较低、限制较少、能模拟较复杂或较理想的工况等优点。③可缩短研究和开发周期。④具有很好的重复性,便于优化设计。文中用数值模拟的方法比较研究了盘环形折流板换热器、折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器的壳程传热与流阻特性,并与传统的弓形折流板换热器相比较,说明其传热与流动性能的改善。
