管殼式換熱器流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究.pdf

1、管殼式換熱器是一種在很多工業(yè)部門(mén)中大量使用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，特別是在石油、化工及能源等部門(mén)所使用的換熱設(shè)備中處于主導(dǎo)地位。但在實(shí)際使用中經(jīng)常發(fā)生失效現(xiàn)象。失效的原因有結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)和化學(xué)等幾個(gè)方面。國(guó)產(chǎn)換熱器和相同換熱容量的國(guó)外產(chǎn)品相比，更有體積大使用壽命短的缺點(diǎn)。新產(chǎn)品和新工藝的開(kāi)發(fā)以及對(duì)環(huán)境要求的提高使得對(duì)換熱器要求不斷提高。因此，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行失效分析和升級(jí)改造在用換熱器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型高效的換熱設(shè)備，有著重要的意義。
　　

2、 本文針對(duì)A廠一臺(tái)管殼式換熱器常因殼程進(jìn)口處管束大量斷裂而失效的問(wèn)題，在對(duì)換熱器運(yùn)行工況、換熱介質(zhì)的性質(zhì)和換熱器的材質(zhì)等進(jìn)行深入調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的流體力學(xué)因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。文中運(yùn)用了工程模擬軟件FLUENT在接近實(shí)際運(yùn)行工況的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)、穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和其殼程瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，同時(shí)還結(jié)合換熱器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。
　　 研究發(fā)現(xiàn)，在換熱器殼程有兩個(gè)部位集中了換熱介質(zhì)的

3、流動(dòng)參數(shù)的波動(dòng)：一個(gè)是進(jìn)口段靠近殼程進(jìn)口的兩排換熱管：另一個(gè)是換熱器殼程出口段靠近殼程出口的一排換熱管附近。換熱器殼程出口管背向來(lái)流方向一側(cè)有一明顯的“死區(qū)”，這種不均的分布使得溫度場(chǎng)分布顯著不均，導(dǎo)致了換熱器內(nèi)部的熱應(yīng)力集中及換熱管強(qiáng)度的下降。靠近殼程進(jìn)口的第一排換熱管受到流體集中的沖擊與沖刷。這個(gè)部位的流體的流速最大而且能量耗散明顯高于其它部位。
　　 換熱管中流速分布嚴(yán)重不均，造成換熱管束中溫度分布嚴(yán)重不均，引起了較大的熱

4、應(yīng)力可能導(dǎo)致管板的連接失效。而且，在目前管程結(jié)構(gòu)下，在換熱介質(zhì)挾帶固體時(shí)，靠近管程中心線的換熱管將從內(nèi)壁最先磨薄，導(dǎo)致強(qiáng)度不足而破裂。大渦模擬及流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)計(jì)算表明，卡門(mén)渦頻率與換熱管固有頻率之比小于0.5，橫流速度低于臨界橫流速度，該換熱器不會(huì)發(fā)生流體誘導(dǎo)的管束過(guò)度振動(dòng)。但管束2m的跨度大于該規(guī)格的換熱管的最大無(wú)支撐跨距1.85m，需要增加管束支撐。
　　 研究認(rèn)為，換熱器改造及優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及流體流動(dòng)誘導(dǎo)