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1、.管壳式换热器工艺设计的新挑战标签：管壳式换热器 工艺设计 计算流体动力学 数值传热 非线性科学 管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用,尤其在化工、石油、能源等部门处于主导地位。当今科学技术的日新月异和过程工业对换热器提出了新的要求,尤其是换热器向高温、高压、大容量、高效益等方向发展,管壳式换热器无论是在设计理论还是在应用实践方面都面临一系列新的机遇和挑战。为了使管壳式换热器在21世纪仍然充满生机与活力.本文将对其工艺设计理论和方法进行回顾,分析目前面临的十大问题,并对其发展前景进行展望[1—5]。1 工艺设计原理与方法研究进展 管壳式换热器的设计包
2、括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计等,而工艺设计一般是指传热(或热力)设计和压降(或流动)设计[4,6]。1.1 Colburn2Donohue法[6研究.] 管壳式换热器壳侧的传热和流动过程比较复杂,因此,壳侧的传热和压降设计计算令人关注,一般设计原理的建立即指壳侧传热和压降计算方法的确定。1933年Colburn首先提出了以理想管排数据为基础的壳侧传热系数计算关联式。而对于带有折流板的管壳式换热器,由于漏流和旁流的存在,设计时采用Sieder2Tate关联式计算则更为方便[7—10]。由于换热器中流体的传热与流动阻力是同时发生,二者相互制约,因此在设计计算中应将二者作为一
3、个整体加以考虑。1949年,Donohue第1个提出了这种完整的管壳式换热器综合设计方法。它的传热计算式是对Colburn关联式的修正,因此,称为Colburn2Donohue法。1.2 Kern法[6,8] Kern法在Colburn2Donohue法的基础上作了—些改进。它的主要特点是将设计作为一个整体来处理,即除传热外,同时还考虑壳程2管程流动、温度分布、污垢及结构等问题。Kern[7]对这一设计方法进行了总结,Hewitt等[8]增加了新的内容,是目前管壳式换热器的重要设计参考书。1.3 Bell2Delaware法[6,8] 为了进一步改进管壳式换热器壳程的工艺设计,
4、Bell以1963年Colburn等完成的Delaware研究计划成果为基础,提出了Bell2Delaware法,它的特点是利用大量实验数据,引入各流路的校正系数,是一种精确度较高的半理论方法。该法考虑了传热、流动与结构综合效应,但是其传热关联式中的系数与指数由实验数据回归而得,适用范围受到限制。1.4 流路分析法[6,8研究.] 为了克服Bell2Delaware法的局限性,美国传热研究公司(HeatTransferResearchInc.,HTRI)利用Tinker的流动模型和Delaware大学的实验数据,并引用自己的研究成果,提出了具有独创性的流路分析法。天津大学也于1979
5、年提出了计算壳侧压降的流路分析法,该法应用计算机进行计算。1984年Wills和Johnson对流路分析法进行了简化,可以方便地进行手算[8]。该法所依赖的各种流路阻力系数仍属于经验公式。1.5 计算机辅助设计法和基于计算流体动力学的设计法[11—16] 计算机科学与技术的发展,为管壳式换热器设计摆脱繁杂计算、经验设计以及经济效益问题的单纯设计带来了希望。它在换热器设计方面的应用主要经历了3个阶段:①开发通用的、考虑换热器标准的工艺和机械设计等程序,建立换热器的计算机辅助设计系统,以代替繁琐的手工设计;②将工程最优化理论引入设计程序,以年度投资操作和维护费用最低、换热器面积最小、年净
6、收益最大等为目标函数,建立换热器的优化设计软件包;③以计算流体动力学(CFD)和数值传热学为基础,开展换热器的三维流动和传热行为数值模拟,从根本上解决管壳式换热器的设计和放大问题。其中,①、②方面的工作起步较早,进展较快,部分工作已有市售软件。例如HTRI、HTFS(HeatTranferandFluidFlowServices,简称HTFS)、B-JAC、THREM、CC2Therm研究.和HEAT2DESIGN等设计软件包[11—13]。这些软件包已成为换热器工艺计算的主要手段,在国内也得到了广泛应用。第③阶段的工作开始相对较晚,由Patan2kar[14]于1972年提出。管壳式换热
7、器内的流动是复杂的三维流动,要完全准确地模拟出工业规模换热器内部的每一个流动和传递细节,从而确定出流动阻力和换热系数,目前尚难以实现。因此,这方面的工作仍处于学术研究阶段[15—16]。2 工艺设计面临的十大挑战性难题及展望 虽然管壳式换热器工艺设计的原理与方法已达到“标准”化和“规范”化程度,但并非已经非常完善[1],设计工作仍然或将要面临许多有待解决的问题,这些也是目前研发的热点和发展方向。2.1 多相流动和传
