基于Fluent的換熱器流場模擬

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第1章 緒論換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，使流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)的熱量交換設(shè)備，又稱熱交換器，廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、動力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工業(yè)等行業(yè)。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類越來越多。 1.1換熱器的分類 換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見，在工業(yè)中應(yīng)用非常普遍，特別是耗能量十分大的領(lǐng)域。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類開發(fā)越來越多。適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器結(jié)構(gòu)和形式亦不相同，換熱器種類隨新型，高效換熱器的開發(fā)不斷更新，具體分類如下。(1) 冷、熱流體熱量交換的原理和方式 基本上可分三大類

2、：間壁式、混合式和蓄熱式。 間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對流進(jìn)行換熱。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。管式換熱器以管子表面作為傳熱面，包括蛇管式換熱器、套管式換熱器和管殼式換熱器等；板面式換熱器以板面作為傳熱面，包括板式換熱器、螺旋板換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板換熱器等；其他型式換熱器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計的換熱器，如刮面式換熱器、轉(zhuǎn)盤式換熱器和空氣冷卻器等。 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離，這類換熱器適合

3、于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。在蓄熱式換熱器中，冷熱兩種流體依次交替地流過同一換熱表面而實現(xiàn)熱量交換，固體表面除了換熱以外還起到蓄熱的作用：高溫流體經(jīng)過時，固體避免吸收并積蓄熱量，然后釋放給接著流過的低溫流體。這種換熱器的熱量傳遞過程是非穩(wěn)態(tài)的。三種類型中，間壁式換熱器應(yīng)用最為廣泛。(2) 表面的緊湊程度換熱器還可以按照表面的緊湊程度而區(qū)分為緊湊式換熱器（compact heat exchan

4、ger）與非緊湊式換熱器(non-compact heat exchanger)。緊湊的程度可以用水力直徑（dh ，hydraulic diameter，也稱當(dāng)量直徑，流動界面積的4倍除以濕周長）來區(qū)別，或者用每立方米中的傳熱面積來衡量：當(dāng)>700m2或者dh <6mm時，稱為緊湊式換熱器。當(dāng)>3000m2或者100<dh <1mm時，由于水力直徑的減小，導(dǎo)致雷諾數(shù)減小通道內(nèi)的流動一般為層流，故又稱此類換熱器為層流換熱器；當(dāng)>15000m2或者100<dh <1mm時屬于微型換熱器。1.2 換熱器研究與發(fā)展1.2.1換熱器發(fā)展歷史 20世紀(jì)20年

5、代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。 60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高

6、壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。20世紀(jì)80年代以來，換熱器技術(shù)飛速發(fā)展，帶來了能源利用率的提高。各種新型高效換熱器的相繼開發(fā)與應(yīng)用帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益，市場經(jīng)濟的發(fā)展，私有化比例的加大，降低成本已成為企業(yè)追求的最終目標(biāo)。因而節(jié)能設(shè)備的研究與開發(fā)備受矚目。能源的日趨緊張，全球氣溫的不斷升高，環(huán)境保護(hù)要求的提高給換熱器及空冷式換熱器及高溫，高壓換熱器迎來了日益廣闊的應(yīng)用前景。1.2.2 換熱器研究及發(fā)展動向 （1）物性模擬研究換熱器傳熱與流體流動計算的準(zhǔn)確性，取決于物性模擬的準(zhǔn)確性。

7、因此，物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一，特別是兩相流物性的模擬，這恰恰是與實際工況差別的體現(xiàn)。實驗室模擬實際工況很復(fù)雜，準(zhǔn)確性主要體現(xiàn)與實際工況的差別。純組分介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)基本上準(zhǔn)確，但油氣組成物的數(shù)據(jù)就與實際工況相差較大，特別是帶有固體顆粒的流體模擬更復(fù)雜。為此，要求物性模擬在試驗手段上更加先進(jìn)，測試的準(zhǔn)確率更高。從而使換熱器計算更精確，材料更節(jié)省。物性模擬將代表換熱器的經(jīng)濟技術(shù)水平。 （2）分析設(shè)計的研究 分析設(shè)計是近代發(fā)展的一門新興科學(xué)，美國ANSYS軟件技術(shù)一直處于國際領(lǐng)先技術(shù)，通過分析設(shè)計可以得到流體的流動分布場，也可以將溫度場模擬出來，這無疑給流路分析法技術(shù)帶來發(fā)展，同時也給常

8、規(guī)強度計算帶來更準(zhǔn)確，更便捷的手段。在超常規(guī)強度計算中，可模擬出應(yīng)力的分布圖，使常規(guī)方法無法得到的計算結(jié)果能方便、便捷、準(zhǔn)確地得到，使換熱器更加安全可靠。這一技術(shù)隨著計算機應(yīng)用的發(fā)展，將帶來技術(shù)水平的飛躍。將會逐步取代強度試驗，擺脫實驗室繁重的勞動強度。 （3）大型化及能耗研究 換熱器將隨著裝置的大型化而大型化，直徑將超過5m，傳熱面積將達(dá)到單位10000 m，緊湊型換熱器將越來越受歡迎。板殼式換熱器，折流桿換熱器，板翅式換熱器，板式空冷器將得到發(fā)展，振動損失將逐步克服，高溫，高壓，安全，可靠的換熱器結(jié)構(gòu)朝著結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，重量輕發(fā)展。隨著全球水資源的緊張，循環(huán)水將被新的冷卻介質(zhì)取代，循環(huán)

9、將被新型，高效的空冷器所取代。保溫絕熱技術(shù)發(fā)展，熱量損失將減少到目前的50一下。 （4）強化技術(shù)研究 各種新型，高效換熱器將逐步取代現(xiàn)有常規(guī)產(chǎn)品。電場動力效應(yīng)強化換熱技術(shù)，添加物強化沸騰傳熱技術(shù)，通入惰性氣體強化傳熱技術(shù)，添加物強化沸騰傳熱技術(shù)，微生物傳熱技術(shù)，磁場動力傳熱技術(shù)將會在新的世紀(jì)得到研究和發(fā)展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺度換熱器、微通道換熱器、硫化床換熱器、新能源換熱器將在工業(yè)領(lǐng)域及其它領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。 （5）新材料研究 材料將朝著強度高，制造工藝簡單，防腐效果好，重量輕的方向發(fā)展。隨著稀有金屬價格的下降，鈦、鉭、鋯等稀有金屬使用量將擴

10、大，鋼材料將實現(xiàn)不預(yù)熱和后熱的方向發(fā)展。 （6）控制結(jié)垢及腐蝕的研究 國內(nèi)污垢數(shù)據(jù)基本上是20世紀(jì)6070年代從國外照搬而來。四十年來，污垢研究技術(shù)發(fā)展緩慢。隨著節(jié)能，增效要求的提高，污垢研究將會受到國家的重視和投入。通過對污垢形成的機理，生長速度，影響因素的研究，預(yù)測污垢曲線，從而控制結(jié)垢，這對傳熱效率的提高將帶來重大的突破。保證裝置低能耗，長周期的運行，超聲防垢技術(shù)將得到大力發(fā)展。腐蝕技術(shù)的研究將會有所突破，低成本的防腐涂層特別是金屬防腐鍍層技術(shù)將得到發(fā)展，電化學(xué)防腐技術(shù)將成為主導(dǎo)。1.2.3 國外新型換熱器技術(shù)走向(1)螺旋折流板換熱器螺旋折流板換熱器（圖1.1）是最新發(fā)展起來的一種管殼

11、式換熱器 ,是由美國 ABB 公司提出的。其基本原理為:將圓截面的特制板安裝在”擬螺旋折流系統(tǒng)”中 ,每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之一 ,其傾角朝向換熱器的軸線 ,即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊相接 ,與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度 ,使殼程流體做螺旋運動 ,能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角 ,從而提高了換熱效率。在氣一水換熱的情況下 ,傳遞相同熱量時 ,該換熱器可減少30 %40 %的傳熱面積 ,節(jié)省材料 20 %30 %。相對于弓形折流板 ,螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象、卡門渦街 ,從而提高有效傳熱溫差 ,防止流動誘導(dǎo)振動;

12、在相同流速時 ,殼程流動壓降小;基本不存在震動與傳熱死區(qū) ,不易結(jié)垢。對于低雷諾數(shù)下(Re< 1 000)的傳熱 ,螺旋折流板效果更為突出。圖1.1螺旋折流板換熱器(2)折流桿式換熱器20 世紀(jì) 70 年代初 ,美國菲利浦公司為了解決天然氣流動振動問題 ,將管殼式換熱器中的折流板改成桿式支撐結(jié)構(gòu) ,開發(fā)出折流桿換熱器。研究表明 ,這種換熱器（圖1.2）不但能防振 ,而且傳熱系數(shù)高。現(xiàn)在此種換熱器廣泛應(yīng)用于單相沸騰和冷凝的各種工況。在后來出現(xiàn)了一種外導(dǎo)流筒折流桿換熱器 ,此種換熱器能最大限度地消除管殼式換熱器擋板的傳熱不活躍區(qū) ,增加了單位體積設(shè)備的有效傳熱面積。目前 ,所有的浮頭式換熱器

13、均采用了外導(dǎo)流筒。近些年 ,又出現(xiàn)了直扁鋼條支撐方式和波浪型扁鋼支撐結(jié)構(gòu)等新型支撐結(jié)構(gòu)的折流桿換熱器 。這些新結(jié)構(gòu)除了增加有效換熱面積外 ,更主要的是提高了對管子震動的抑制作用。圖1.2 折流桿式換熱器 示意圖(3) 空心環(huán)管殼式換熱器空心環(huán)管殼式換熱器（圖1.3）是華南理工大學(xué)于發(fā)明的一種新型管殼式換熱器?？招沫h(huán)是由直徑較小的鋼管截成短節(jié) ,均勻地分布于換熱管管間的同一截面上 ,呈線性接觸 ,在緊固裝置螺栓力的作用下 ,使管束相對緊密固定。從而支撐管束并促進(jìn)流體擾動?？招沫h(huán)支撐往往與強化管組合使用 。其特點是：(1) 殼程流阻低。殼程軸向流道空隙率達(dá)80 %的空心環(huán)管間支承物對縱向流體的形體

14、阻力幾乎可以忽略。(2) 傳熱膜系數(shù)高。該種結(jié)構(gòu)的換熱器可充分發(fā)揮粗糙型強化傳熱管的強化傳熱性能 ,利用傳熱管的周向粗糙肋 ,促進(jìn)縱向流體在傳熱界面上滯流層的湍流度,獲得比普通光滑管界面高 80 %100 %的傳熱膜系數(shù) 圖1.3 空心環(huán)管式換熱器 示意圖(4)管子自支承式換熱器近年來 ,人們將殼程強化傳熱的兩種主要途徑綜合起來考慮 ,利用管子形狀的變化來達(dá)到相互支撐和強化傳熱雙重功能。目前主要有剌孔膜片式、螺旋扁管式和變截面管式幾種形式。剌孔膜片式的特點是刺孔膜片既是支撐元件 ,又是管壁的延伸 ,增大了單位體積內(nèi)的有效傳熱面積；膜片上的毛刺和小孔增大了流體湍流度 ,各區(qū)間的流體經(jīng)小孔實現(xiàn)一定

15、程度的混合；刺和孔使換熱表面的邊界層不斷更新 ,減薄了層流底層厚度 ,從而提高了換熱系數(shù);殼程流體縱向流動 ,壓力降很小。螺旋扁管是瑞典 ALLARES公司推出的一種高效換熱元件，螺旋扁管的結(jié)構(gòu)特點是管子換熱段的任一截面均為一長圓 ,當(dāng)組裝成換熱器時可以混合管束 ,也可以是純螺旋扁管。螺旋扁管的截面類似于橢圓管 ,橢圓的長短軸比值根據(jù)換熱管程和殼程的流速設(shè)計確定 ,當(dāng)管程流量較低時 ,可增大長、短軸之比值。減少流通截面以提高流速 ,使換熱器兩側(cè)處于較理想的流動狀態(tài)。 變截面管式（圖1.4）是把普通圓管按一定節(jié)距壓制出互成90度或互成60度的扁圓形截面 ,利用這種變截面管互相支撐并構(gòu)成擾流元件。

16、這種換熱器管子排列緊湊 ,減少了換熱器的尺寸和質(zhì)量 ,而且可實現(xiàn)管束間流體薄層流動。其結(jié)構(gòu)比較簡單 ,且是雙面強化管 ,但最大弱點是管內(nèi)阻力太大。 圖1.4變截面管 示意圖(5)縱流管束換熱器流體在殼程中作縱向流動是管殼式換熱器中最理想的流動形式。為了將弓形折流板支撐的橫向流動盡可能地改為平行于管子的縱向流動 ，消除滯留死區(qū) 。近年來開發(fā)出了一些新型結(jié)構(gòu)，例如矩形孔、梅花孔等異形孔的折流板結(jié)構(gòu)（圖1.5）。這種折流板既能支承管子 ,又能讓傳熱介質(zhì)流過折流板 ,產(chǎn)生射流 ,從而消除了管子結(jié)垢和垢下腐蝕。后來 ,德國 GRIMMA公司制造的一種網(wǎng)狀整圓形折流板換熱器 ,傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的圓缺形折流

17、板換熱器 ,其結(jié)構(gòu)為在折流板上開橫排管孔 ,以 4 個孔為一組將管橋處銑通，殼側(cè)流體在管橋處沿著軸向流動 ,避免了流體因轉(zhuǎn)折引起的滯留區(qū)。瑞典的 WELL 和 GEE 提出的針翅管，既能擴大傳熱面，又可造成流體的強烈擾動 ，極大地強化了傳熱，而且壓降不大 ，可大大節(jié)省支承板材料 ，是當(dāng)前國內(nèi)外最先進(jìn)的縱向流換熱器。圖1.5(6)熱管換熱器熱管是一種新型高效的傳熱元件。熱管是一個內(nèi)部抽成真空并充以少量液體的密封管，具有高效的導(dǎo)熱性能。在工作時熱流體通過熱管的一端外表面，冷流體通過熱管另一部分。籍助于管內(nèi)工質(zhì)的潛熱變化而進(jìn)行冷熱流體間的換熱。由于是潛熱的變化，具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱能力 ，其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

18、為銅、銀等金屬導(dǎo)熱系數(shù)的幾百倍。在20世紀(jì)60年代首先被應(yīng)用于宇航技術(shù)中，后來在電子、機械、化工和石油等行業(yè)也有了廣泛的應(yīng)用。熱管換熱器在國外已系列化生產(chǎn)。而我國經(jīng)過 20 多年努力先后開發(fā)了氣、氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器和高溫?zé)峁?，并在石油、化工、冶金、動力以及水泥等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果。（7）新型麻花管換熱器瑞典Alares公司開發(fā)了一種扁管換熱器，通常稱為麻花管換熱器。美國休斯頓的布朗公司做了改進(jìn)。螺旋扁管的制造過程包括了“壓扁”與“熱扭”兩個工序。改進(jìn)后的麻花管換熱器同傳統(tǒng)的管殼式換熱器一樣簡單，但有許多激動人心的進(jìn)步，它獲得了如下的技術(shù)經(jīng)濟效益：改進(jìn)了傳熱，減少

19、了結(jié)垢，真正的逆流，降低了成本，無振動，節(jié)省了空間，無折流元件。由于管子結(jié)構(gòu)獨特使管程與殼程同時處于螺旋運動，促進(jìn)了湍流程度。該換熱器總傳熱系數(shù)較常規(guī)換熱器高40%，而壓力降幾乎相等。組裝換熱器時也可采用螺旋扁管與光管混合方式。該換熱器嚴(yán)格按照ASME標(biāo)準(zhǔn)制造。凡是用管殼式換熱器和傳統(tǒng)裝置之處均可用此種換熱器取代。它能獲得普通管殼式換熱器和板框式傳熱設(shè)備所獲得的最佳值。估計在化工、石油化工行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。（8）非釬焊繞絲筋管螺旋管式換熱器在管子上纏繞金屬絲作為筋條(翅片)的螺旋管式換熱器(TA)，一般都是采用焊接方法將金屬絲固定在管子上。但這種方法對整個設(shè)備的質(zhì)量有一系列的影響，因為

20、釬焊法必將從換熱中“扣除”很大一部分管子和金屬絲的表面。更重要的是，由于焊料迅速老化和破碎會造成機器和設(shè)備堵塞，隨之提前報損。俄羅斯推薦一種新方法制造繞絲筋管，即借助在管子上纏繞和拉緊金屬絲時產(chǎn)生的機械接觸來固定筋條。采用此法能促進(jìn)得到釬焊時的連續(xù)特性(即將金屬絲可靠地固定在管子上，而管子的截面又不過分壓緊)，故對于金屬絲僅用做隔斷時，可以認(rèn)為是較釬焊更受歡迎的方法。但若利用金屬絲作為筋條(翅片)以增加換熱面積時，只有當(dāng)非釬焊筋條的有效傳熱面不小于釬焊連接時，才應(yīng)更偏重于此方法。試驗表明，當(dāng)金屬絲與管子為線性接觸時，有效傳熱面最大，但此時金屬絲會沿管子滑動。所以關(guān)鍵是要選取最佳的接觸寬度，也就

21、是繞絲時管子變形留下的痕跡的寬度。這樣，非釬焊時的有效傳熱面要比釬焊時大。第2章 管殼式換熱器2.1 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管殼式(如圖2.1) 換熱器是最典型的間壁式換熱器,它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。圖2.1管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內(nèi)部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。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，管殼式換熱器則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；一種在管外流動，其行

22、程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數(shù),通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路,增加流體速度,還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束,使湍動程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種,前者應(yīng)用更為廣泛.。流體在管內(nèi)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。為提高管內(nèi)流體的速度,可在兩端封頭內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板,將全部管子平均分隔成若干組。這樣,流體可每次只通過部分管子而往返管束多次,稱為多管程。同樣,為提高管外流速,可在殼體內(nèi)安裝縱向檔板使流體多次通過殼體空間,稱多殼程。在管殼式換熱器內(nèi),由于管內(nèi)外流體溫度不同,殼體和管束的溫度也不同。如兩

23、者溫差很大, 換熱器內(nèi)部將出現(xiàn)很大的熱應(yīng)力,可能使管子彎曲,斷裂或從管板上松脫。因此,當(dāng)管束和殼體溫度差超過50時,應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臏夭钛a償措施,消除或減小熱應(yīng)力。2.2 管殼式換熱器類型（1） ：管束兩端的管板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機械清洗時的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力又不太高時，可在殼體上安裝有彈性的補償圈，以減小熱應(yīng)力。（2） ：管束一端的管板可，完全消除了熱應(yīng)力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價較高。（3） U型管換熱器：每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管

24、箱內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，但管程不易清洗。 2.3 換熱器的安裝、使用及維護(hù)2.3.1換熱器的安裝安裝換熱器的基礎(chǔ)必須足以使換熱器不發(fā)生下沉，或使管道把過大的變形傳到換熱器的接管上?；A(chǔ)方法一般分為兩種：一種為磚砌的鞍形基礎(chǔ)，換熱器上沒有鞍式支座而直接放在鞍形基礎(chǔ)上，換熱器與基礎(chǔ)不加固定，可以隨著熱膨脹的需要而自由移動。另一種為混凝土基礎(chǔ)，換熱器通過鞍式支座由地腳螺栓將其與基礎(chǔ)牢固地連接起來。 在安裝換熱器之前應(yīng)嚴(yán)格地進(jìn)行基礎(chǔ)質(zhì)量的檢查和驗收工作，主要項目如下：基礎(chǔ)表面概況；基礎(chǔ)標(biāo)高、平面位置、形狀和主要尺寸以及預(yù)留孔是否符合設(shè)計要求；地腳螺栓的位

25、置是否正確，螺紋情況是否良好，螺帽和墊圈是否齊全；放置墊鐵的基礎(chǔ)表面是否平整等。 基礎(chǔ)驗收完畢后，在安裝換熱器之前應(yīng)在基礎(chǔ)上放墊鐵，安放墊鐵處的基礎(chǔ)表面必須鏟平，使兩者能很好接觸。墊鐵厚度可以調(diào)整，使換熱器能達(dá)到設(shè)計的水平度和標(biāo)高。墊鐵放置后可增加換熱器在基礎(chǔ)上的穩(wěn)定性，并將其重量通過墊鐵均勻地傳遞到基礎(chǔ)上去。墊鐵可分為平墊鐵、斜墊鐵和開口墊鐵。其中，斜墊鐵必須成對使用。地腳螺栓兩側(cè)均應(yīng)有墊鐵，墊鐵的安裝不應(yīng)妨礙換熱器的熱膨脹。 換熱器就位后需用水平儀對換熱器找平，這樣可使各接管都能在不受力的情況下連接管道。找平后，斜墊鐵可與支座焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。當(dāng)兩個以上重疊式換熱器安裝

26、時，應(yīng)在下部換熱器找正完畢，并用地腳螺栓充分固定后，再安裝上部換熱器?？沙楣苁鴵Q熱器安裝前應(yīng)抽芯檢查、清掃，抽管束時應(yīng)注意保護(hù)密封面和折流板。移動和起吊管束時應(yīng)將管束放置在專用的支承結(jié)構(gòu)上，以避免損傷換熱管。 根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足操作、清洗、維修的需要。浮頭式換熱器的固定頭蓋端應(yīng)留出足夠的空間以便能從殼體內(nèi)抽出管束，外頭蓋端必須也留出足夠的空間以便能從殼體內(nèi)抽出管束，外頭蓋端必須也留出一米以上的位置以便裝拆外頭蓋和浮頭蓋。固定管板式換熱器的兩端應(yīng)留出足夠的空間以便能抽出和更換管子。并且，用機械法清洗管內(nèi)時，兩端都可對管子進(jìn)行刷洗操作。U形管式換熱器的固定頭

27、蓋應(yīng)留出足夠的空間以便能拆卸殼體。2.3.2 換熱器的清洗 換熱器不得在超過銘牌規(guī)定的條件下運行。應(yīng)經(jīng)常對管、殼程介質(zhì)的溫度及壓降進(jìn)行監(jiān)督，分析換熱器的泄漏和結(jié)垢情況。管殼式換熱器就是利用管子使其內(nèi)外的物料進(jìn)行熱交換、冷卻、冷凝、加熱及蒸發(fā)等過程，與其它設(shè)備相比較，其與腐蝕介質(zhì)接觸的表面積就顯得非常大，發(fā)生腐蝕穿孔及接合處松弛泄漏的危險性很高，因此對換熱器的防腐蝕和防漏的方法也比其它設(shè)備要多加考慮。當(dāng)換熱器用蒸汽來加熱或用冷水來冷卻時，水中的溶解物在加熱后，大部分溶解度都會有所提高，而硫酸鈣類型的物質(zhì)則幾乎沒有變化。冷卻水經(jīng)常循環(huán)使用，由于水的蒸發(fā)，使鹽類濃縮，產(chǎn)生沉積或污垢。又因水中含有腐蝕

28、性溶解氣體及氯離子等引起設(shè)備腐蝕，腐蝕與結(jié)垢交替進(jìn)行，激化了鋼材的腐蝕。因此，必須通過清洗來改善換熱器的性能。由于清洗的因難程度是隨著垢層厚度或沉積物的增加而迅速增大的，所以清洗間隔時間不宜過長，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)裝置的特點、換熱介質(zhì)的性質(zhì)、腐蝕速度及運行周期等情況定期進(jìn)行檢查、修理及清洗。 換熱器的清洗可用機械法或化學(xué)法，應(yīng)根據(jù)清洗的場所、范圍、除垢難易程度、垢的性質(zhì)來決定。凡不溶于酸堿和溶劑的污垢宜采用機械法?；瘜W(xué)法適用于形狀復(fù)雜的換熱器的清洗，缺點是對金屬多少有些腐蝕作用。下面介紹幾種常用的清洗方法。(1)機械清洗 噴水清洗：用高壓水噴射或機械沖擊的除垢方法。采用這種方法對化學(xué)法不能除去的碳化物

29、污垢或硬質(zhì)垢的清除是有效的，但清洗換熱器時需將設(shè)備解體，所以適用于清洗浮頭換熱器或U形管換熱器的管間部分，對固定管板換熱器殼程就不能清洗了。其優(yōu)點是鋼材損耗微小。 噴砂清洗：將經(jīng)篩分的石英砂粒用壓縮空氣通過噴槍產(chǎn)生強大的線速度，沖刷換熱器內(nèi)壁，將污垢沖掉。砂粒要求硬度高，粒度形狀復(fù)雜，顆粒均勻。 噴丸清洗：由海綿球和將球推進(jìn)需清洗的管內(nèi)的流體噴槍組成。其優(yōu)點是費用低廉、效率高。不僅用于直管且可用于蛇管、T形管、彎管等，適用范圍較廣。方法是在管的一端裝入海綿球，接上噴槍，擰緊，開噴槍的閥門，即可射出壓力流體。由于流體壓力，將球推入管內(nèi)，球受流體的反壓力，借助海綿體的彈力，對管內(nèi)壁施加擠壓力。由于

30、反壓力，此擠壓力增大，能很好地削掉污垢。且從球和管內(nèi)壁間隙出來的流體以射流噴出，研削效果很好。同時污垢沿前方排出，具有機械研削和噴射清洗的優(yōu)點。海綿橡膠球連續(xù)清管法：連續(xù)操作的自動化清洗，在冷卻水系統(tǒng)中裝入海綿橡膠球，平均每5min通過一個橡膠球，其直徑略大于管徑，因此能有效地擦去管子表面的沉積物或污垢。其優(yōu)點是減少了由于結(jié)垢、腐蝕、滲漏或堵塞所造成的無計劃停工。冷卻水管的連續(xù)清洗可以大大減少水的化學(xué)處理，可省去手工或其它機械清洗的費用，創(chuàng)造了良好的清洗條件，延長了設(shè)備壽命。 鋼絲刷子清洗：用一根圓棒或管子，一端焊上與管子內(nèi)徑相同的圓形鋼絲刷，一邊旋轉(zhuǎn)一邊推進(jìn)。如果是不銹鋼管則不能用鋼絲刷而用

31、尼龍刷。用圓管比圓棒更有優(yōu)越性，因為圓管向前推進(jìn)時，污垢可以從管子中退出。否則圓棒向前進(jìn)，污垢也向前進(jìn)，愈積愈多，以致愈通愈因難。這種方法花費很大勞動力，但還是常用的清洗換熱器管內(nèi)的方法。 刮刀或鉆頭除垢：在撓性旋轉(zhuǎn)軸的頂端安裝刮刀或鉆頭以除去污垢。旋轉(zhuǎn)動力多用壓縮空氣或電力，也有使用水力或蒸汽的。一般是將驅(qū)動機構(gòu)設(shè)在外邊，通過旋轉(zhuǎn)軸將動力傳給刀具。旋轉(zhuǎn)軸是撓性的，因此是彎管也能在里面靈活轉(zhuǎn)動。但該法只適用于除去管子或圓筒里面的污垢。(2)化學(xué)清洗 酸洗：酸洗是換熱器化學(xué)清洗的主要方法，可溶解氧化鐵、硬質(zhì)污垢和其它金屬氧化物。這要求對清除的沉積物性質(zhì)和有關(guān)設(shè)備的構(gòu)造成材料有所一解，來確定酸類。

32、清除銹垢要用合適的酸、防凝劑及作輔助用的還原劑、二氧化硅溶解劑濕潤劑銅鈍化劑。清除氧化鐵、鈣或鎂最有效的酸是鹽酸。大部分用稀釋酸如處理鋼管可用12%的鹽酸。檸檬酸效率最差，但如只有少量腐蝕產(chǎn)物也可使用。對奧氏體鋼，如拆開有關(guān)部件有困難，可用鹽酸。如主要部件由不銹鋼制造則不許用鹽酸。鹽酸加入氧化物，對鐵的溶解可稍有利，而對含硅的物料溶解大為有利。因此如含有硅沉淀物可推薦使用。檸檬酸加氟化物可改進(jìn)氧化鐵的溶解速率。 堿洗：換熱器在某些特定情況下也可用堿洗。有兩種方法：一種為單獨采用堿性洗滌劑進(jìn)行堿洗，目的在于除去能溶解于堿性溶液中的污垢。另一種是在酸洗或其它方法進(jìn)行清洗之后，用堿性進(jìn)行中和鈍化，清

33、洗新設(shè)備、軟化硬質(zhì)污垢和氧化硅時可采用堿洗的方法，常用的洗滌劑為苛性鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、中和鈍化溶液及甲烷等。在污垢中，當(dāng)含銅非常多時，可在氨液中加入銅溶解劑，用于除去銅垢。 溶劑清洗：溶劑清洗是為了清除石油化工和石油裝置中換熱器的有機污垢和含油質(zhì)的污垢，油垢含有較多的鋼材產(chǎn)物氧化鐵類。使用有機溶劑摻表面活化劑和堿或用酸把有機溶劑和界面活性劑混合制成乳劑，對油和無機質(zhì)同時進(jìn)行清洗，可把有機垢和氧化鐵同時除去。主要采用的溶劑有以下幾種：四氧化碳主要是洗掉油品的有機污垢，芳香烴溶劑、堿性甲酚溶液、甲烷基-異丁烷基-甲醇重端對于含有酸性焦油的沉積物具有強烈的去垢清潔力。(3)在線清洗 在線清洗是指工

34、藝裝置在運轉(zhuǎn)中，將換熱器組列中某一個進(jìn)行清洗，這樣就避免了裝置全部停車，從而使換熱器組列能夠高效運行和延長運轉(zhuǎn)周期。它與化學(xué)清洗在所用藥劑、反應(yīng)原理及劑量方面相同，最大不同點是設(shè)備不停止運行。優(yōu)點是能減少機械或化學(xué)清洗的停工時間節(jié)省停工清洗的勞動力和費用，延長運轉(zhuǎn)周期，防止操作過程中壓降的增加，提高了傳熱效率，降低了能耗。2.3.3換熱器的維護(hù)和檢修 為了保證換熱器長久正常運行，提高其生產(chǎn)率，必須對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與檢修。應(yīng)以預(yù)防性維修擺在首位，強調(diào)安全預(yù)防，以保證換熱性連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，減少任何可能發(fā)生的事故。檢修應(yīng)注意合理施工，檢修之前進(jìn)行檢查和清洗管子，并應(yīng)拆開管子與管箱的連接處，再將整個管全部

35、拆開以確定清洗或檢修。應(yīng)把換熱器內(nèi)的介質(zhì)，特別是帶有腐蝕性或形成聚合物的液體排出。在直立的固定管板換熱器中，排液管接頭應(yīng)安裝在管板底部，否則不能把殼程的流體全部排出。依據(jù)應(yīng)排流體的性質(zhì)，流體可排向大氣或低壓系統(tǒng)。換熱器的排水應(yīng)單獨接出而不用支管板底部開口，換熱器上安裝閥門以提供反向沖洗。檢修換熱器時常常需要把換熱管從殼體中抽出。但由于腐蝕、結(jié)垢等原因，換熱管抽出比較困難。這就要求管束抽出裝置有足夠的抽出或推進(jìn)力，能適應(yīng)不同高度的位置變化，并能自動對中，能適應(yīng)不同的換熱器直徑變化，機體輕、靈活方便、操作安全。其驅(qū)動方式有液壓和機械式。液壓式機構(gòu)體積小，拉或推力大，適合于管束開始抽出或推進(jìn)時的高負(fù)

36、荷。而機械式驅(qū)動速度快，適用于在管束抽出或推進(jìn)一段距離后的快速操作，所以以液壓和機械聯(lián)合驅(qū)動為好。 換熱器由于腐蝕、沖擊、振動、應(yīng)力等原因會造成損壞，主要發(fā)生在換熱管子上，基本上有以下兩種情況： (1)換熱管由于外界因素而減薄或穿孔，當(dāng)出現(xiàn)泄漏時就必須更換管子。把損壞的稱熱管從管板上拆下來，一般可采用鉆削或銑削的方法進(jìn)行。注意不能損壞管板孔，否則，可能產(chǎn)生泄露漏。因此，要采用比管孔直徑略小的鉆頭。如用銑削的方法，則不能將管壁銑穿，留下很薄的一層管子外壁，不僅保護(hù)了管孔免受損傷，而且也便于將整根管子抽出。如果是脹接則應(yīng)先鉆孔，除掉脹管頭，拔出壞管，然后插上新管再進(jìn)行脹接。操作中要注意不能讓異物嵌

37、入管孔槽中，以免影響隨后的脹接。在脹管時，對周圍不需更換的管子的脹管處會有影響，所以對周圍的管子可以輕脹一下。如果是焊接則需先用專用發(fā)刀具將焊縫刮下，然后拔出壞管。 (2)由于溫度變化產(chǎn)生膨脹、收縮，換熱管入口端介質(zhì)的渦流磨損及由于管束振動等原因使管子與管板連接處松弛而泄漏。如果是脹接可用脹管器對管子進(jìn)行補脹，同于脹管應(yīng)力可能影響周圍管子，故對其附近的管子也要輕脹一下，如果是焊接則需要對匯漏處進(jìn)行補焊。2.3.4換熱器的防腐換熱器的使用量大，包括在新建項目、改造項日、更新項目中的使用。而在更新項目中主要是對損壞的換熱路進(jìn)行更換，損壞的原因一般由腐蝕造成。據(jù)統(tǒng)計，大概占有90以上，全國每年由于腐

38、蝕更換的換熱器投資約20億元。因此防腐成為技術(shù)發(fā)展的重點。近年來防腐研究經(jīng)費投入很大，但技術(shù)發(fā)展緩慢，效果不明顯。由于石油工業(yè)中的原油開采已進(jìn)入中后期，石油中含酸值逐年增加，腐蝕逐年加重。再則中東含酸原油進(jìn)口量猛增，設(shè)備防腐的投資也越來越大。因此，抗腐蝕材料及防腐措施尤為至要。目前，換熱器防腐主要有防腐涂層、金屑涂層、金屬堆焊、緩蝕劑等措施。2.4 換熱器的強化換熱器在化工生產(chǎn)過程中起著至關(guān)重要的作用，其投資費用占全部投資費用較大。傳統(tǒng)的管殼式換熱器單位體積的傳熱面積較低，傳熱系數(shù)不高，難以滿足生產(chǎn)要求，因而，高效換熱器的研究越來越得到重視。提高換熱器的換熱效率是節(jié)約能源、降低工程投資的關(guān)鍵，

39、對于提高換熱效率國內(nèi)外非常重視。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減?。蝗魝鳠崦娣e不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費，后者可節(jié)省操作費，故在設(shè)計或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時，由于相變時只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，

40、因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。除順流和逆流這兩種流向外，還有錯流和折流等流向。在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個重要的問題。熱阻主要來源于間壁兩側(cè)粘滯于傳熱面上的流體薄層(稱為邊界層)和換熱器使用中在壁兩側(cè)形成的污垢層，金屬壁的熱阻相對較小。增加流體的流速和擾動性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。但增加流體流速會使能量消耗增加，故設(shè)計時應(yīng)在減小熱阻和降低能耗之間作合理的協(xié)調(diào)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。強化換熱是指在傳統(tǒng)的換熱器基礎(chǔ)之上通過強化傳熱技術(shù)來提高換熱器的換熱效率，減少換熱過程中的能量

41、損失。就強化傳熱技術(shù)來說，主要是力求使換熱設(shè)備在單位時間內(nèi)、單位傳熱面積傳遞的熱量盡可能增多。從大的方面來說強化途徑不外乎三個：提高傳熱系數(shù)、擴大單位傳熱面積、增大傳熱溫差。管式換熱器的傳熱強化主要包括管程的強化和殼程的強化。2.4.1管程的傳熱強化管程的強化傳熱通常是對光管進(jìn)行加工得到各種結(jié)構(gòu)的異形管，如螺旋槽紋管、橫槽紋管、波紋管、低螺紋翅片管（螺紋管）、螺旋扁管、多孔表面管、針翅管等，通過這些異形管進(jìn)行傳熱強化。(1)螺旋槽紋管 螺旋槽紋管管壁是由光管擠壓而成，其管內(nèi)強化傳熱主要由兩種流動方式?jīng)Q定：一是螺旋槽近壁處流動的限制作用，使管內(nèi)流體做整體螺旋運動產(chǎn)生的局部二次流動；二是螺旋槽所導(dǎo)

42、致的形體阻力，產(chǎn)生逆向壓力梯度使邊界層分離。螺旋槽紋管具有雙面強化傳熱的作用，適用于對流、沸騰和冷凝等工況，抗污垢性能高于光管，傳熱性能較光管提高 24 倍。（2）橫槽紋管橫槽紋管強化機理為：當(dāng)管內(nèi)流體流經(jīng)橫向環(huán)肋時，管壁附近形成軸向漩渦，增加了邊界層的擾動，使邊界層分離，有利于熱量的傳遞。當(dāng)漩渦將要消失時流體又經(jīng)過下一個橫向環(huán)肋，因此不斷產(chǎn)生渦流，保持了穩(wěn)定的強化傳熱作用。研究和實際應(yīng)用證明：橫槽紋管與單頭螺旋槽紋管比較，在相同流速下，流體阻力要大一些，傳熱性能好些，其應(yīng)用場合與螺旋槽紋管相同。（3）波紋管對波紋管按流體力學(xué)觀點分析：在波峰處流體速度降低，靜壓增加，在波谷處流速增加，靜壓降低

43、。流體的流動在反復(fù)改變軸向壓力梯度下進(jìn)行，產(chǎn)生了劇烈的漩渦，沖刷流體的邊界層，使邊界層減薄。因此用波紋管做換熱管從理論上講：由于波節(jié)的存在，增加了對管內(nèi)流體流動的擾動，使波紋管具有較好的傳熱效果，但流動特性不如光管的好。在低雷諾數(shù)下，波紋管的換熱與阻力性能比明顯好于光管；在高雷諾數(shù)下，波紋管與光管的換熱與阻力性能比非常接近。（4）翅片管翅片管是一種外壁帶肋的管子，肋的截面形狀有矩形、鋸齒形、三角形、T 型、E 型、花瓣型等等，這種管子有助于擴大傳熱面積，促進(jìn)流體的湍流，一般用于以殼程熱阻為主的情況。當(dāng)殼程熱阻為管程 2 倍以上時，使用翅片管是合適的。但不能用來處理容易結(jié)焦的介質(zhì)。（5）螺旋扁管

44、螺旋扁管的獨特結(jié)構(gòu)使流體在管內(nèi)處于螺旋流動，促進(jìn)湍流程度。實驗研究表明：螺旋扁管管內(nèi)膜傳熱系數(shù)通常比普通圓管大幅度提高，在低雷諾數(shù)時最為明顯，達(dá) 23 倍；隨著雷諾數(shù)的增大，通常也可提高傳熱系數(shù) 50%以上。（6）表面多孔管在普通金屬管表面敷上一層多孔性金屬層，形成表面多孔管。表面多孔管能顯著地強化沸騰給熱過程，但其表面的多孔狀局限了其只能應(yīng)用于無垢或輕垢的場合。（7）針翅管針翅管既擴大了傳熱面，又可造成流體的強烈擾動，極大地強化傳熱，而且壓降不大，并可籍針翅互相支撐而取消折流支撐板（桿），大大節(jié)省支撐板材料，可代替光管和螺紋管作為油品換熱器的換熱管，也是低傳熱膜系數(shù)、高粘度介質(zhì)和含塵高溫?zé)煔?/p>

45、的理想傳熱管，可用于油品等縱向流管束換熱和煙氣鍋爐或余熱回收中。（8）管內(nèi)插入件管內(nèi)插入件是強化管內(nèi)單相流體傳熱的行之有效的方法之一。目前管內(nèi)插入件的種類很多，有紐帶、螺旋線圈、螺旋片、靜態(tài)混合器等。管內(nèi)加麻花片紐帶使管內(nèi)換熱系數(shù)比光管增加了 56%95%，摩擦系數(shù)增加了 70%400%。因內(nèi)插物是為了降低管內(nèi)流體由層流轉(zhuǎn)變到湍流時的臨界雷諾數(shù)，一般說它們在低雷諾數(shù)下強化傳熱的效果比湍流區(qū)更佳。2.4.2 殼程的傳熱強化在管殼式換熱器中，管束支撐結(jié)構(gòu)的主要作用是：支撐管束，使殼程流體產(chǎn)生期望的流型和流速，阻止管子因流體誘導(dǎo)振動而發(fā)生失效。因此，管束支撐結(jié)構(gòu)是殼程內(nèi)的關(guān)鍵部件，直接影響著換熱器殼

46、程的流體流動和傳熱性能。管束支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的研究、應(yīng)用和發(fā)展，概括起來有3種類型： （1）橫流式支撐，如傳統(tǒng)的弓形折流板，使殼程流體呈橫向流動； （2）縱流式支撐，如折流桿式等新型支撐，使殼程流體呈縱向流動； （3）螺旋流式支撐，如螺旋折流板，使殼程流體呈螺旋流動。其中，傳統(tǒng)的管殼式換熱器殼程流體橫向沖刷管束傳熱效率較低，流動阻力大，常發(fā)生流體誘導(dǎo)振動而導(dǎo)致破壞。為解決換熱管束的振動問題，美國菲利浦石油公司在 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)了折流板式換熱器，該換熱器不僅解決了振動問題，而且由于殼側(cè)流體的縱向流動使折流板換熱器比傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器傳熱系數(shù)提高 30%左右，殼程壓降減少 50%。

47、這種異型折流板性能特點是：（1）能有效地支撐管束，從而避免管束發(fā)生流體誘導(dǎo)振動（“大管孔”式除外）； （2）孔板截面積小于殼程流通面積，因而可以調(diào)節(jié)殼程流體速度； （3）各種形式的孔對流體具有“射流作用”，射流流體速度高且直接沖刷管外壁，因而能增加流體湍流度，減薄管壁液體的邊界層，因而有效強化了殼程傳熱，適用于中、低粘度流體且雷諾數(shù)不太大的場合。而螺旋折流板換熱器又可分為單螺旋折流板換熱器和雙螺旋折流板換熱器。螺旋折流板換熱器與常規(guī)折流板相互平行布置方式不同，它的折流板相互形成一種螺旋形結(jié)構(gòu)，每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度，使殼程流體做螺旋運動，能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角，從

48、而提高了換熱效率。螺旋流換熱器的強化傳熱機理為螺旋通道內(nèi)的流型減弱了邊界層的形成，從而使傳熱系數(shù)有較大增加。相對于弓形折流板，螺旋折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn)象，從而提高有效傳熱溫差，防止流動誘導(dǎo)振動；在相同流速時，殼程流動壓降?。换静淮嬖诹鲃优c傳熱死區(qū)，不易結(jié)垢，適宜于處理含固體顆粒、粉塵、泥沙等流體。對于低雷諾數(shù)下（Re1000）的傳熱，螺旋折流板效果更為突出。在螺旋折流板換熱器中，螺旋角（即殼側(cè)介質(zhì)流動方向與管束橫截面之間的夾角）將直接影響殼側(cè)流體的流動及傳熱性能。第3章 流體傳熱的研究方法3.1 傳熱學(xué)的常用研究方法 在流體傳熱學(xué)的研究中，常用的方法有實驗研究法、理論分析法和數(shù)值計

49、算方法。實驗研究是最基本的研究方法，因為所有傳熱過程基本定律的揭示首先要通過實驗測定來完成，在傳熱學(xué)中引入的諸如導(dǎo)熱系數(shù)這一類的熱物性參數(shù)要靠實驗測定來獲得。在現(xiàn)階段，對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的工程計算公式都是通過實驗測定得出的。在傳熱學(xué)發(fā)展進(jìn)程中，為了能夠有效地進(jìn)行對流傳熱的實驗研究，形成與發(fā)展起來了相似原理的基本內(nèi)容。實驗的方法在傳熱設(shè)備性能的標(biāo)定、過程的控制、實驗儀器的開發(fā)以及新現(xiàn)象的研究中起著重要的作用。流體的速度、壓力等參數(shù)是由納維-斯托克斯方程以及連續(xù)性方程等一組偏微分方程規(guī)定的，同樣物體中各點的溫度也是由一個能量方程的偏微分方程規(guī)定的。理論分析就是在給定的條件下求解這些偏微分方程，從

50、而得出能確定物體中各點溫度、速度等的函數(shù)，成為解析解或精確解。由于實際問題的復(fù)雜性，目前只能對情況比較簡單的問題得到分析解。數(shù)值計算求解的基本思想可以概括為：把原來在時間、空間坐標(biāo)系中連續(xù)的物理量的場，如導(dǎo)熱物體的溫度場，用有限個離散點上的值的集合來代替，通過求解按一定方法建立起來的關(guān)于這些值的代數(shù)方程，來獲得離散點上被求物理量的值。其中，理論研究方法的特點是：能夠清晰普遍的揭示出流動的內(nèi)在規(guī)律，但是該方法目前只局限于少數(shù)比較簡單的理論模型，而且需要研究者具有較高的理論素養(yǎng)和數(shù)學(xué)功底。實驗研究方法的特點是結(jié)果可靠，但其局限性在于相似準(zhǔn)則不能全部滿足、尺寸限制、邊界影響等，同時實驗研究需要場地、

51、儀器設(shè)備和大量經(jīng)費，研究周期也比較長。數(shù)值方法所需要的時間和費用較少，而且具有較高的精度，目前在流體力學(xué)及傳熱學(xué)的研究中扮演著越來越重要的角色，例如波音777飛機，就是一架“Paper Design”的飛機，大量的風(fēng)洞試驗以及全機應(yīng)力實驗等都是通過在計算機上進(jìn)行CFD和有限元等數(shù)值模擬完成的。數(shù)值計算方法要求對問題的物理特性有足夠的了解，并能建立比較精確的描述方程組。3.2數(shù)值模擬的求解過程 經(jīng)過多年的探索與研究，數(shù)值模擬大致可分為下列若干步驟。（1）建立基本 守恒方程組 數(shù)值模擬的第一步是由流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)及熱等離子體等的基本原理出發(fā)，建立質(zhì)量、動量、能量、組分、湍流特性

52、的守恒方程組，對湍流、多項流等，由不同的模擬理論出發(fā)，往往基本守恒方程組也不同，因此，如何構(gòu)造方程組，也是模擬理論的重要部分。 （2）建立或選擇模型或封閉方法 寫出基本方程組后并非以萬事大吉，這些方程組往往不是封閉的，特別是湍流、甚至多項流、化學(xué)反應(yīng)流更是如此。例如，動量方程中的脈動速度關(guān)聯(lián)項（雷諾應(yīng)力項），能量方程中的湍流導(dǎo)熱項及輻射項，擴散方程中的擴散項及湍流反應(yīng)項等都是未知的。解決這一問題，使方程組封閉，即使模擬理論的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)在好多數(shù)值模擬軟件，如Fluent，以預(yù)設(shè)了許多物理模型，如湍流模型、兩項流模型、湍流反應(yīng)模型、輻射換熱模型、污染物生成模型等。我們可以根據(jù)具體問題選擇不同的模

53、型，也可以自己通過實驗事實或物理概念的基本假設(shè)來構(gòu)造各個過程的模型，然后將Fluent作為一個開發(fā)平臺，利用UDF功能將自己提出的物理模型實現(xiàn)，并做檢驗。 （3）確定初始與邊界條件 數(shù)值模擬必須按給定的幾何形狀和尺寸，由問題的物理特性出發(fā)，確定計算域并給定計算域的的進(jìn)出口，軸線（或?qū)ΨQ面）及各壁面或自由面處條件。正確給定邊界條件是十分重要的，但不是輕而易舉的事情。邊界條件是否合理往往也是數(shù)值模擬的成敗的關(guān)鍵問題之一。初始條件是所研究對象在過程初始時刻各個求解變量的空間分布情況。對于瞬態(tài)的非定常問題必須給定初始條件。對于定常問題，不需要初始條件。（4）劃分計算網(wǎng)格 采用數(shù)值方法求解控制方程時，都

54、是想方法將控制方程在空間區(qū)域上進(jìn)行離散，然后求解得到的離散方程組，其本質(zhì)就是把連續(xù)的空間變量用離散的網(wǎng)格點上的變量來近似，連續(xù)的控制方程在離散之后就成為所有網(wǎng)格點上變量的非線性方程組。要想在空間區(qū)域上離散控制方程組，必須使用網(wǎng)格?，F(xiàn)在已發(fā)展出多種對各種區(qū)域進(jìn)行離散以生成網(wǎng)格的方法，網(wǎng)格生成技術(shù)也成為CFD領(lǐng)域的一個獨特分支。 (5)建立離散化方程 用數(shù)值方法求解偏微分方程組，必須將方程組離散化，即把計算域內(nèi)有限數(shù)量位置上的因變量作為基本未知量來處理，從而建立一系列關(guān)于這組未知量的代數(shù)方程組，通過求解代數(shù)方程組來獲得這些節(jié)點上的值。 對于所引入的因變量在節(jié)點之間的分布，假設(shè)及推導(dǎo)離散化方程的方法

55、不同，形成了有限差分法，有限容積法，有限元或有限分析法等不同類型的離散化方法。在同一種離散化方法中，對方程中對流項所采用的離散格式不同，也將導(dǎo)致不同形式的離散方程。 (6)制定求解方法 對離散完成的差分方程組已經(jīng)有各種不同的求解方法。例如渦量-流函數(shù)算法、基于壓力的壓力-速度修正算法（SIMPLE系列算法），基于密度的耦合隱式或顯式時間推進(jìn)求解算法，矢通量分裂方法和通量差分分裂方法等。針對代數(shù)方程組的求解有三角形矩陣法（追趕法）、逐線迭代、松弛高斯賽德爾迭代方法等。針對兩項流和有反應(yīng)的流動又有一些更專門的解法，如顆粒與流體的耦合PSIC法，加速化學(xué)反應(yīng)計算而設(shè)計的ISAT算法等。(7)數(shù)值模擬

56、結(jié)果與實驗的對比 對各種工況進(jìn)行大量的模擬計算后，如果判斷解收斂，就可以得到一批可用的變量場預(yù)報結(jié)果。判斷解的收斂性是一個經(jīng)驗性很強的問題。常用的判斷方法就是判斷殘差小于我們設(shè)定的某個小量，實際應(yīng)用中，經(jīng)常需要配合以總的質(zhì)量流量、某點的物理量變化或某個截面通量物理量的變化、物體所受的力或力矩的變化等來綜合判斷，而且有時是所監(jiān)控的物理量不再變化，有時是所監(jiān)控的物理量周期性變化時，就認(rèn)為解收斂了。如果解不收斂甚至發(fā)散，就需要調(diào)松弛因子，降低差分格式，選擇更簡單的模型，甚至重新回到GAMBIT劃分網(wǎng)格以提高網(wǎng)格質(zhì)量，再重新計算?？傊?，必須獲得收斂的數(shù)值模擬結(jié)果。 必須將這些數(shù)值模擬結(jié)果和變量場的測量

57、結(jié)果進(jìn)行對照，或者依據(jù)一些理論結(jié)果，定性并且定量地評價模擬結(jié)果或模擬理論及方法優(yōu)缺點及可靠性，方便我們選擇更合適的模擬理論及方法。第4章 基于Fluent的管殼式換熱器的數(shù)值計算4.1 Fluent簡介 Fluent是計算流體力學(xué)（CFD）商用軟件，以理論流體力學(xué)和數(shù)學(xué)分析方法為基礎(chǔ)，求解Navier-Stokes方程來計算內(nèi)部流場的速度、溫度及壓力場。由于采用了多種求解方法和多重加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。利用Fluent軟件進(jìn)行內(nèi)部的流動模擬，可以使我們直觀的對流道內(nèi)介質(zhì)的流動情況進(jìn)行分析，找出設(shè)計的缺陷并提出合理的改進(jìn)方案和措施，以達(dá)到改進(jìn)設(shè)計的目的。這大大降低了設(shè)計成本，也縮短了設(shè)計的周期，這種數(shù)值模擬的方法，應(yīng)用也越來越廣泛。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)換與、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、旋轉(zhuǎn)機械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。 FLUENT具有以下特點： (1)采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)