管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)

-.z管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)標(biāo)簽：管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算流體動力學(xué)數(shù)值傳熱非線性科學(xué)

管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用,尤其在化工、石油、能源等部門處于主導(dǎo)地位。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的日新月異和過程工業(yè)對換熱器提出了新的要求,尤其是換熱器向高溫、高壓、大容量、高效益等方向開展,管殼式換熱器無論是在設(shè)計(jì)理論還是在應(yīng)用實(shí)踐方面都面臨一系列新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為了使管殼式換熱器在21世紀(jì)仍然充滿生機(jī)與活力.本文將對其工藝設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)展回憶,分析目前面臨的十大問題,并對其開展前景進(jìn)展展望[1—5]。

1工藝設(shè)計(jì)原理與方法研究進(jìn)展

管殼式換熱器的設(shè)計(jì)包括熱力設(shè)計(jì)、流動設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)等,而工藝設(shè)計(jì)一般是指傳熱(或熱力)設(shè)計(jì)和壓降(或流動)設(shè)計(jì)[4,6]。

1.1Colburn2Donohue法[6]

管殼式換熱器殼側(cè)的傳熱和流動過程比較復(fù)雜,因此,殼側(cè)的傳熱和壓降設(shè)計(jì)計(jì)算令人關(guān)注,一般設(shè)計(jì)原理的建立即指殼側(cè)傳熱和壓降計(jì)算方法確實(shí)定。1933年Colburn首先提出了以理想管排數(shù)據(jù)為根底的殼側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式。而對于帶有折流板的管殼式換熱器,由于漏流和旁流的存在,設(shè)計(jì)時采用Sieder2Tate關(guān)聯(lián)式計(jì)算則更為方便[7—10]。由于換熱器中流體的傳熱與流動阻力是同時發(fā)生,二者相互制約,因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)將二者作為一個整體加以考慮。1949年,Donohue第1個提出了這種完整的管殼式換熱器綜合設(shè)計(jì)方法。它的傳熱計(jì)算式是對Colburn關(guān)聯(lián)式的修正,因此,稱為Colburn2Donohue法。

1.2Kern法[6,8]

Kern法在Colburn2Donohue法的根底上作了—些改進(jìn)。它的主要特點(diǎn)是將設(shè)計(jì)作為一個整體來處理,即除傳熱外,同時還考慮殼程2管程流動、溫度分布、污垢及構(gòu)造等問題。Kern[7]對這一設(shè)計(jì)方法進(jìn)展了總結(jié),Hewitt等[8]增加了新的內(nèi)容,是目前管殼式換熱器的重要設(shè)計(jì)參考書。

1.3Bell2Delaware法[6,8]

為了進(jìn)一步改進(jìn)管殼式換熱器殼程的工藝設(shè)計(jì),Bell以1963年Colburn等完成的Delaware研究方案成果為根底,提出了Bell2Delaware法,它的特點(diǎn)是利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),引入各流路的校正系數(shù),是一種準(zhǔn)確度較高的半理論方法。該法考慮了傳熱、流動與構(gòu)造綜合效應(yīng),但是其傳熱關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)與指數(shù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸而得,適用*圍受到限制。

1.4流路分析法[6,8]

為了抑制Bell2Delaware法的局限性,美國傳熱研究公司(HeatTransferResearchInc.,HTRI)利用Tinker的流動模型和Delaware大學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并引用自己的研究成果,提出了具有獨(dú)創(chuàng)性的流路分析法。**大學(xué)也于1979年提出了計(jì)算殼側(cè)壓降的流路分析法,該法應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)展計(jì)算。1984年Wills和Johnson對流路分析法進(jìn)展了簡化,可以方便地進(jìn)展手算[8]。該法所依賴的各種流路阻力系數(shù)仍屬于經(jīng)歷公式。

1.5計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法和基于計(jì)算流體動力學(xué)的設(shè)計(jì)法[11—16]

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的開展,為管殼式換熱器設(shè)計(jì)擺脫繁雜計(jì)算、經(jīng)歷設(shè)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)效益問題的單純設(shè)計(jì)帶來了希望。它在換熱器設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用主要經(jīng)歷了3個階段:①開發(fā)通用的、考慮換熱器標(biāo)準(zhǔn)的工藝和機(jī)械設(shè)計(jì)等程序,建立換熱器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng),以代替繁瑣的手工設(shè)計(jì);②將工程最優(yōu)化理論引入設(shè)計(jì)程序,以年度投資操作和維護(hù)費(fèi)用最低、換熱器面積最小、年凈收益最大等為目標(biāo)函數(shù),建立換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包;③以計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)為根底,開展換熱器的三維流動和傳熱行為數(shù)值模擬,從根本上解決管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和放大問題。其中,①、②方面的工作起步較早,進(jìn)展較快,局部工作已有市售軟件。例如HTRI、HTFS(HeatTranferandFluidFlowServices,簡稱HTFS)、B-JAC、THREM、CC2Therm和HEAT2DESIGN等設(shè)計(jì)軟件包[11—13]。這些軟件包已成為換熱器工藝計(jì)算的主要手段,在國內(nèi)也得到了廣泛應(yīng)用。第③階段的工作開場相對較晚,由Patan2kar[14]于1972年提出。管殼式換熱器內(nèi)的流動是復(fù)雜的三維流動,要完全準(zhǔn)確地模擬出工業(yè)規(guī)模換熱器內(nèi)部的每一個流動和傳遞細(xì)節(jié),從而確定出流動阻力和換熱系數(shù),目前尚難以實(shí)現(xiàn)。因此,這方面的工作仍處于學(xué)術(shù)研究階段[15—16]。

2工藝設(shè)計(jì)面臨的十大挑戰(zhàn)性難題及展望

雖然管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)的原理與方法已到達(dá)“標(biāo)準(zhǔn)〞化和“規(guī)*〞化程度,但并非已經(jīng)非常完善[1],設(shè)計(jì)工作仍然或?qū)⒁媾R許多有待解決的問題,這些也是目前研發(fā)的熱點(diǎn)和開展方向。

2.1多相流動和傳熱[6,17—22]

與無相變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比,有相變(冷凝和沸騰等)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多,尤其是過程工業(yè)中遇到的兩相或多相流動及傳熱問題,例如多元系統(tǒng)的沸騰和冷凝;含有不凝性氣體的蒸氣冷凝;管束中的沸騰和冷凝等。由于這些過程涉及到復(fù)雜的氣液兩相或多相流、非平衡相變傳熱和傳質(zhì)等問題,因此,目前尚不能對此進(jìn)展量化設(shè)計(jì)。

2.2最優(yōu)化[10]

為到達(dá)能量的合理利用,獲得最大的經(jīng)濟(jì)利益,需使工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。目前,最優(yōu)化設(shè)計(jì)是換熱器設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)之一,并提出了多種方法,但不夠成熟,甚至對優(yōu)化目標(biāo)、評價參數(shù)也不一致,有待進(jìn)一步探討。

2.3傳熱強(qiáng)化[20—21,23—29]

對于管殼式換熱器,強(qiáng)化傳熱方法按是否消耗外加功率可分為有源技術(shù)(ActiveTechnology)和無源技術(shù)(PassiveTechnology),前者消耗外加能量,后者不消耗能量。后者主要是使傳熱壁面的溫度邊界層減薄或調(diào)換傳熱壁面附近的流體。主要有2種實(shí)施途徑:①對傳熱外表的構(gòu)造、形狀適當(dāng)加以處理與改造;②在傳熱面或傳熱流路上設(shè)置湍流增進(jìn)器,或在流體中參加添加劑,特別是參加適當(dāng)?shù)墓腆w顆粒,不僅強(qiáng)化傳熱,還可以防垢和除垢。在有源技術(shù)中,應(yīng)用電場、磁場等各種場強(qiáng)及其協(xié)同作用強(qiáng)化傳熱是近年來比較關(guān)注的研究方向。例如EHD(Electro2hydrodynamics)技術(shù),即電氣流體力學(xué)技術(shù),它可強(qiáng)化對流、冷凝和沸騰傳熱。但是,對于不同的管殼式換熱器如何選擇與設(shè)計(jì)最優(yōu)的強(qiáng)化傳熱措施,還需進(jìn)一步探討。

2.4流體振動[17,29]

由于管殼式換熱器的殼側(cè)流徑非常復(fù)雜,會引起多種流體漩渦、抖振、彈性激振及聲學(xué)共振,這些振蕩組合起來就形成劇烈振動。隨著換熱器向大型化、高溫、高壓、高流速、高負(fù)荷方向開展,振動有可能更加劇烈,嚴(yán)重時不僅使管子破裂,甚至使換熱器損壞,所以,必須對振動機(jī)制、振動防控措施進(jìn)展研究。多年來,雖然在理論上提出了一些流體激振機(jī)理和振動預(yù)測方法,但是,由于流體流動的復(fù)雜性,對其規(guī)律的認(rèn)識還比較淺薄,難以進(jìn)展有效的控制與預(yù)防。在工程應(yīng)用方面,也開發(fā)了一些抗振構(gòu)造,但是效果不理想。需要指出的是:假設(shè)能對振動頻率、振幅、發(fā)生地點(diǎn)等加以適當(dāng)控制,就可以強(qiáng)化傳熱及防除垢。

2.5污垢[16,30—31]

污垢概括起來可分為結(jié)晶、顆粒沉積、化學(xué)反響、聚合、結(jié)焦、生物體的成長及外表腐蝕等。從換熱器設(shè)計(jì)及使用的角度來看,污垢對傳熱及流動諸參數(shù)影響較大,因此,污垢問題受到相當(dāng)重視,國內(nèi)外在換熱器的污垢設(shè)計(jì)及防除垢方面取得了一定的進(jìn)展。但由于問題的復(fù)雜性,換熱器的設(shè)計(jì)仍采用超余設(shè)計(jì)的保守方法來處理污垢問題。因此,還需進(jìn)一步研究,尋找更為合理的考慮污垢的設(shè)計(jì)方法。

2.6高粘度流體[32—33]

高粘流體換熱器在石油化工、聚合物生產(chǎn)及加工、輕工、食品等行業(yè)中有重要應(yīng)用。由于流體粘度很大,換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮其流動及傳熱特點(diǎn),但是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法難于獲得對這種流體流動、傳熱的準(zhǔn)確描述,而這種描述對研制高粘流體換熱器至關(guān)重要。隨著計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的開展,正在逐步解決這一難題。

2.7物性數(shù)據(jù)庫[8]

無論是手工計(jì)算、計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì),還是計(jì)算流體動力學(xué)數(shù)值模擬設(shè)計(jì),都離不開物性數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)庫的支持。但是,對于一些物系,尤其是二元及多元混合物系統(tǒng),目前尚缺乏系統(tǒng)可靠的物性數(shù)據(jù),影響設(shè)計(jì)的可靠性。因此,應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)的根底實(shí)驗(yàn)研究,開發(fā)和完善能與換熱器計(jì)算軟件接口的數(shù)據(jù)庫,這是換熱器設(shè)計(jì)不可分割的重要組成局部。

2.8湍流[4,15]

湍流問題很復(fù)雜。雖然可用三維不穩(wěn)態(tài)流動方程來描述湍流狀態(tài),用解析方法來求解方程,但從學(xué)術(shù)角度出發(fā),也非常困難。預(yù)測隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算流體動力學(xué)、非線性科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)等的開展,湍流問題有可能在21世紀(jì)得以解決,從而為管殼式換熱器內(nèi)的流動與傳熱的數(shù)值模擬奠定了根底。

2.9非線性傳熱[34—39]

隨著非線性科學(xué)的出現(xiàn),管殼式換熱器內(nèi)的非線性傳熱與流動問題開場受到關(guān)注,例如非線性流型分析和識別、壓力波動的混沌預(yù)測和控制等。也有運(yùn)用分岔理論、實(shí)變論、耗散構(gòu)造理論等非線性學(xué)科分支,對池沸騰過程中出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象進(jìn)展研究的報(bào)道。但是,對傳熱過程的非線性研究較少,應(yīng)加強(qiáng)從新的角度提醒傳熱機(jī)理,創(chuàng)立新的換熱器設(shè)計(jì)方法。

2.10換熱器中流動及傳熱過程的數(shù)值模擬[14—16,40]

在換熱器流動及傳熱過程的數(shù)值模擬方面,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)作出了一定的努力,希望通過計(jì)算機(jī)建立描述整個系統(tǒng)的流體流動及傳熱等過程的物理數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值求解了解換熱器內(nèi)詳細(xì)的三維流場及傳熱信息,抑制經(jīng)歷或半理論設(shè)計(jì)的缺乏,實(shí)現(xiàn)換熱器的定量設(shè)計(jì)和放大預(yù)測。模擬結(jié)果的有效性取