管壳式换热器流动与传热的研究

鞠红香

（四平职业大学，吉林 四平 136001）

0 引言

换热器就是交换热量的设备，借此设备实验物料间的热量交换，使能量从温度较高的介质传输到温度较低的介质中，克服了之前很多的技术难题，因此换热器也在现代工业中得到了广泛的应用.间壁式换热器应用最为常见，其中的管壳式换热器更是广泛应用于现代工业中。换热器传热效率的高低直接影响到了企业的生产效益的高低，因此，对于管壳式换热器流体流动与传热的研究具有深远的意义。

1 管壳式换热器

管壳式换热器是应用最为广泛的一种换热器。内部结构复杂多样，因而管壳式换热器大体可以分为以下几种： ①固定管板式换热器；②浮头式换热器；③U 型管式换热器；④填料函式换热器。

以上四种管壳式换热器都存在一个共同的特点，就是它们的外壳都是金属圆形的，壳体内部都安置了排列整齐的换热管束，冷热流体就是在壳程内流动，并通过换热管外壁面进行热量的减缓的。所谓壳程就是，换热器换热管内的通道，壳体外壁与换热管内壁之间的通道统称为壳程。

2 管壳式换热器强化传热的技术

所谓强化传热，就是在换热器单位面积在单位时间内获得的热量足够多。强化传热技术就是通过改变热量在传输过程中的多个影响因子，从而达到强化传热的效果，进而增加传热量，提高现有的传热能力，事换热器能够更好地达到额定的传热目的。

由公式Q=KAΔTm；要实现换热器强化传热的过程，可采取三个途径的改变： ①提高传热系数K；②增大传热面积A；③增大换热平均温差ΔTm。

3 换热管束排列方式对换热器流速与传热的影响研究

在换热器的内部，换热管束是传热的媒介介质，换热管束的几何形状、排列方式以及尺寸大小对换热的效率都有着十分重要的影响作用。当量直径较小的换热管束，致使换热器内部结构更为复杂，虽然总的换热系数是较大的，但是换热器的制造工艺会非常的繁琐，由于内部结构的紧凑，也导致内部容易结垢，而且清洗也不方便。当量直径较大的管束虽然结构相对简单，而且制造工艺也比较容易，但是其换热系数是比较小的。对于不同当量直径下的管束，只能以对应的流体性质来选择。因而，在流体介质粘度较大或者相对浑浊时，我们采用当量直径较大的管束的换热器，而流体介质相对干净，较低的粘度系数时，我们采用当量直径较小的管束的换热器。由于换热管束的尺寸大小和几何形状的不同，引起了流体的扰动程度的不同，进而影响流体的流动状态的不同，所以我们可以控制改变流体与换热管束的接触面积和接触时间，来影响换热的效果。

传统的换热管束在换热板上的排列方式有以下几种类型；分别为正三角排列、正方形排列、转角正三角形排列和转角正方形排列。

4 折流板的结构对管壳式换热器流速与传热的影响研究

4.1 模型的建立及理论计算方法

（1）换热器模型的基本信息情况：换热管长度： 1500mm，壳程流体： 水，壳程直径：Φ（273×8）mm，流体入口温度：25℃，换热管直径：Φ（19×2）mm，壳程流体进口平均速速：0.5m/s，换热管间距：25mm，折流板间距：240mm，换热管束：56 根，折流板厚度：6mm，管程流体：水，管程温度：45℃。

（2）模型建立及网格的划分。假设流体为牛顿流体流动，各向连续，并且流体为不可压缩流体；假设流体的本身物理属性不随时间等条件的变化而变化；因本文研究的为内部结构比较复杂的管壳式换热器，因其内部结构比较复杂，所以使用六面体结构的网格对其很难进行划分，否则就会造成网格数量及其庞大，也会造成计算精度的不准确。所以我们在划分网格时，采用了四面体结构网格与六面体结构网格的相互配合，形状规则处采用了六面体结构网格，而形状不规则处采用了四面体的结构网格。如此方法使网格数目大大减少了，同时也提高了计算的精度问题。

（3）换热管束不同排列速度矢量分布示意图。流体介质在刚刚从课程入口进入壳程时，速度矢量是比较均匀的，但当接近壳程出口时，因为换热器进出口结构的突变，导致了出口速度矢量的分布及其的不均匀，流体速度的变化范围也是比较大的。

图1 换热管束四种排列方式下的速度矢量场云图

在正三角形排列管束中，因为换热管束的排列是非常紧凑的，这样就会使冷流体由入口流入，绕过所有的换热管束，这样就会使换热管束与冷流体的充分接触，传热面积也就会较大，从而强化湍流运动，进而强化传热、换热性能。而相对于转角三角形排列管束，因存在顺排换热管束的存在，以至于流体在后排换热管束时速度较小，流体与换热管束的接触也不是很充分，同样换热面积也没有正三角形排列的大，换热效果也没有正三角形排列管束的好。

正方形排列管束，换热管间成一条直线，流体流过时所受到的阻力很小，流速也是比较快的，湍流效果不是很明显，换热面积较小，换热效果比较差。对于转角正三角形排列，换热管间成45°，冷流体与换热管束接触面积比较充分，换热空间较大，流速相对较小，湍流作用不是很明显。

图2 不同换热管束排列方式下的温度场分布

4.2 不同换热管束排列方式下的温度场分布

由以上图可以明显观察出，四种管束排列方式下的换热效果最好的是正三角形管束排列，最差的正方形管束排列，转角三角形排列与转角正方形排列排在中间，转角三角形排列的换热效果比转角正方形的换热效果要好。

5 折流板结构尺寸变化对壳程流动与传热的影响的研究

现代工业中比较常用的折流板为弓形折流板与圆环-盘式折流板。

5.1 数值的模拟与研究分析

取折流板间距分别为200mm、240mm、300mm、400mm，壳程速度矢量云图如图3 所示。从图中易于观察出，折流板的间距越大，流体介质的流动速度越是缓慢。

图3 折流板分别为200、240、300、400mm 时的速度矢量云图

5.2 不同折流板间距下的温度场分布

通过以上4 副不同折流板间距下的温度场分布示意图对比分析得到结论： 在一定的范围内，折流板的间距越大，换热效果越是不好，要想得到较好的换热效果，要取折流板较小的间距。

图4 不同折流板间距下的温度场分布示意图

6 总结

本论文主要是从排列管束的排列 方 式，折流板的间距尺寸以及流体的流速三方面对管壳式换热器的流速与换热效果进行的了科学的研究，经研究分析发现： 在换热管束4 中排列方式中，换热效果最好的正三角形排列方式，其次依次是转角三角形排列方式、转角正方形排列方式，正方形的换热效果是最差的。在一定范围内，折流板的间距越大换热效果越好。

换热器内部结构及其复杂，我们的研究也只是建立在壳体，换热管束和折流板等结构部件上，忽略了其他结构部件的对换热器流动与换热的影响，所以存在一定的误差。最后还是希望本论文对以后换热器的设计及结构优化具有一定的参考意义。

[1] 邓斌，陶文栓.管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟与数值研究[M].西安交通大学出版社，2003.

[2] 胡延东.管壳式换热器侧流场与温度场的三维数值模拟[D].西安：西安交通大学能源与动力工程学院，2001.

[3] 史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].东南大学出版社，2009.

[4] 谢洪虎，江楠.管壳式换热器壳程流体流动与换热器的数值模拟[J].化学工程，2009，4.

[5] 周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT 工程技术与实验分析[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[6] 刘敏珊，董其武.折流板换热器壳程流场数值模拟与结构优化[J].节能，2005，10.