分類號 TQ 051.5 TQ 050.1
Study progress of shellside fluid-flow in the shell-and-tube Heat exchanger
Doctoral student Guo Chaxiu Professor Li Peining
(East China University of Science and Technology,Shanghai 200237)
Professor Dong Qiwu Professor Liu Mingshan
(zhengzhou Unirersity of Technology,Zhengzhou 450002)
Abstract Using computational Fluid Dynamics techniques,the steady or unsteady flow patterns of shellside fluid are accurately predicted, the reasons of fluid induced vibration and thermal stresses caused by differences of temperature are explain. The simulation work helps to structural and behavior optimum designs for heat exchanger.The advances, development tendency and questions of the shellside flow pattern in shell-and-tube heat exchanger are introduced.
Key words:heat exchanger, shellside flow pattern, fluid
管殼式擋板換熱器中流體流動與換熱是相當複雜的。首先，殼側流體在殼間的流動時而垂直於管壁，時而平行於管束，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。對這樣複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)，總傳熱係數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係。②換熱器經常由於振動而失效，振幅和頻率依賴於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係。
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］，但由於受到計算機條件和計算流體力學的限制，研究進展緩慢。80年代由於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，開發了大型通用軟體如PHOENICS、FLOW3D，使複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複雜的三維流動過程，不藉助於一定的假設或模型，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係數，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，並對殼側中的傳熱管和擋板等使用Patankar提出的分佈阻力概念，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表示流體佔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。
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佈情況，從圖2可以看到穩態下的速度分佈是不均勻的，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。所以儘管網格劃分粗，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。
換熱器中心xz平面速度分佈
換熱器xy平面速度分佈
1982年W T Sha 認為管束多孔度是各向異性的［2］，僅利用分佈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、表面滲透度和分佈阻力修改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，並通過實驗得到了進一步的驗證，為了進一步獲得擋板
