管殼式換熱器工藝設計的新挑戰(zhàn)

-.z管殼式換熱器工藝設計的新挑戰(zhàn)標簽：管殼式換熱器工藝設計計算流體動力學數(shù)值傳熱非線性科學

管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用,尤其在化工、石油、能源等部門處于主導地位。當今科學技術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計理論還是在應用實踐方面都面臨一系列新的機遇和挑戰(zhàn)。為了使管殼式換熱器在21世紀仍然充滿生機與活力.本文將對其工藝設計理論和方法進展回憶,分析目前面臨的十大問題,并對其開展前景進展展望[1—5]。

1工藝設計原理與方法研究進展

管殼式換熱器的設計包括熱力設計、流動設計、構造設計以及強度設計等,而工藝設計一般是指傳熱(或熱力)設計和壓降(或流動)設計[4,6]。

1.1Colburn2Donohue法[6]

管殼式換熱器殼側的傳熱和流動過程比較復雜,因此,殼側的傳熱和壓降設計計算令人關注,一般設計原理的建立即指殼側傳熱和壓降計算方法確實定。1933年Colburn首先提出了以理想管排數(shù)據(jù)為根底的殼側傳熱系數(shù)計算關聯(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,設計時采用Sieder2Tate關聯(lián)式計算則更為方便[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,因此在設計計算中應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計方法。它的傳熱計算式是對Colburn關聯(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。它的主要特點是將設計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、污垢及構造等問題。Kern[7]對這一設計方法進展了總結,Hewitt等[8]增加了新的內(nèi)容,是目前管殼式換熱器的重要設計參考書。

1.3Bell2Delaware法[6,8]

為了進一步改進管殼式換熱器殼程的工藝設計,Bell以1963年Colburn等完成的Delaware研究方案成果為根底,提出了Bell2Delaware法,它的特點是利用大量實驗數(shù)據(jù),引入各流路的校正系數(shù),是一種準確度較高的半理論方法。該法考慮了傳熱、流動與構造綜合效應,但是其傳熱關聯(lián)式中的系數(shù)與指數(shù)由實驗數(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大學的實驗數(shù)據(jù),并引用自己的研究成果,提出了具有獨創(chuàng)性的流路分析法。**大學也于1979年提出了計算殼側壓降的流路分析法,該法應用計算機進展計算。1984年Wills和Johnson對流路分析法進展了簡化,可以方便地進展手算[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計算機輔助設計法和基于計算流體動力學的設計法[11—16]

計算機科學與技術的開展,為管殼式換熱器設計擺脫繁雜計算、經(jīng)歷設計以及經(jīng)濟效益問題的單純設計帶來了希望。它在換熱器設計方面的應用主要經(jīng)歷了3個階段:①開發(fā)通用的、考慮換熱器標準的工藝和機械設計等程序,建立換熱器的計算機輔助設計系統(tǒng),以代替繁瑣的手工設計;②將工程最優(yōu)化理論引入設計程序,以年度投資操作和維護費用最低、換熱器面積最小、年凈收益最大等為目標函數(shù),建立換熱器的優(yōu)化設計軟件包;③以計算流體動力學(CFD)和數(shù)值傳熱學為根底,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計和放大問題。其中,①、②方面的工作起步較早,進展較快,局部工作已有市售軟件。例如HTRI、HTFS(HeatTranferandFluidFlowServices,簡稱HTFS)、B-JAC、THREM、CC2Therm和HEAT2DESIGN等設計軟件包[11—13]。這些軟件包已成為換熱器工藝計算的主要手段,在國內(nèi)也得到了廣泛應用。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)的流動是復雜的三維流動,要完全準確地模擬出工業(yè)規(guī)模換熱器內(nèi)部的每一個流動和傳遞細節(jié),從而確定出流動阻力和換熱系數(shù),目前尚難以實現(xiàn)。因此,這方面的工作仍處于學術研究階段[15—16]。

2工藝設計面臨的十大挑戰(zhàn)性難題及展望

雖然管殼式換熱器工藝設計的原理與方法已到達“標準〞化和“規(guī)*〞化程度,但并非已經(jīng)非常完善[1],設計工作仍然或?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)的設計方法相比,有相變(冷凝和沸騰等)系統(tǒng)的設計要復雜得多,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,目前尚不能對此進展量化設計。

2.2最優(yōu)化[10]

為到達能量的合理利用,獲得最大的經(jīng)濟利益,需使工藝設計實現(xiàn)最優(yōu)化。目前,最優(yōu)化設計是換熱器設計的研究熱點之一,并提出了多種方法,但不夠成熟,甚至對優(yōu)化目標、評價參數(shù)也不一致,有待進一步探討。

2.3傳熱強化[20—21,23—29]

對于管殼式換熱器,強化傳熱方法按是否消耗外加功率可分為有源技術(ActiveTechnology)和無源技術(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種實施途徑:①對傳熱外表的構造、形狀適當加以處理與改造;②在傳熱面或傳熱流路上設置湍流增進器,或在流體中參加添加劑,特別是參加適當?shù)墓腆w顆粒,不僅強化傳熱,還可以防垢和除垢。在有源技術中,應用電場、磁場等各種場強及其協(xié)同作用強化傳熱是近年來比較關注的研究方向。例如EHD(Electro2hydrodynamics)技術,即電氣流體力學技術,它可強化對流、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計最優(yōu)的強化傳熱措施,還需進一步探討。

2.4流體振動[17,29]

由于管殼式換熱器的殼側流徑非常復雜,會引起多種流體漩渦、抖振、彈性激振及聲學共振,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、高負荷方向開展,振動有可能更加劇烈,嚴重時不僅使管子破裂,甚至使換熱器損壞,所以,必須對振動機制、振動防控措施進展研究。多年來,雖然在理論上提出了一些流體激振機理和振動預測方法,但是,由于流體流動的復雜性,對其規(guī)律的認識還比較淺薄,難以進展有效的控制與預防。在工程應用方面,也開發(fā)了一些抗振構造,但是效果不理想。需要指出的是:假設能對振動頻率、振幅、發(fā)生地點等加以適當控制,就可以強化傳熱及防除垢。

2.5污垢[16,30—31]

污垢概括起來可分為結晶、顆粒沉積、化學反響、聚合、結焦、生物體的成長及外表腐蝕等。從換熱器設計及使用的角度來看,污垢對傳熱及流動諸參數(shù)影響較大,因此,污垢問題受到相當重視,國內(nèi)外在換熱器的污垢設計及防除垢方面取得了一定的進展。但由于問題的復雜性,換熱器的設計仍采用超余設計的保守方法來處理污垢問題。因此,還需進一步研究,尋找更為合理的考慮污垢的設計方法。

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)中有重要應用。由于流體粘度很大,換熱器設計應充分考慮其流動及傳熱特點,但是傳統(tǒng)的實驗方法難于獲得對這種流體流動、傳熱的準確描述,而這種描述對研制高粘流體換熱器至關重要。隨著計算機仿真計算的開展,正在逐步解決這一難題。

2.7物性數(shù)據(jù)庫[8]

無論是手工計算、計算機輔助優(yōu)化設計,還是計算流體動力學數(shù)值模擬設計,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),影響設計的可靠性。因此,應加強相應的根底實驗研究,開發(fā)和完善能與換熱器計算軟件接口的數(shù)據(jù)庫,這是換熱器設計不可分割的重要組成局部。

2.8湍流[4,15]

湍流問題很復雜。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,但從學術角度出發(fā),也非常困難。預測隨著計算機科學、計算流體動力學、非線性科學、實驗科學等的開展,湍流問題有可能在21世紀得以解決,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注,例如非線性流型分析和識別、壓力波動的混沌預測和控制等。也有運用分岔理論、實變論、耗散構造理論等非線性學科分支,對池沸騰過程中出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象進展研究的報道。但是,對傳熱過程的非線性研究較少,應加強從新的角度提醒傳熱機理,創(chuàng)立新的換熱器設計方法。

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)外學者已經(jīng)作出了一定的努力,希望通過計算機建立描述整個系統(tǒng)的流體流動及傳熱等過程的物理數(shù)學模型,通過數(shù)值求解了解換熱器內(nèi)詳細的三維流場及傳熱信息,抑制經(jīng)歷或半理論設計的缺乏,實現(xiàn)換熱器的定量設計和放大預測。模擬結果的有效性取