管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)

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1、.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(dòng)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(guò)程工業(yè)對(duì)換熱器提出了新的要求,尤其是換熱器向高溫、高壓、大容量、高效益等方向發(fā)展,管殼式換熱器無(wú)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(duì)其工藝設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行回顧,分析目前面臨的十大問(wèn)題,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望[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

2、括熱力設(shè)計(jì)、流動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)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?jìng)鳠?或熱力)設(shè)計(jì)和壓降(或流動(dòng))設(shè)計(jì)[4,6]。1.1　Colburn2Donohue法[6研究.]????管殼式換熱器殼側(cè)的傳熱和流動(dòng)過(guò)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)算方法的確定。1933年Colburn首先提出了以理想管排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的殼側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式。而對(duì)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(shí)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(dòng)阻力是同時(shí)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

3、個(gè)整體加以考慮。1949年,Donohue第1個(gè)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(duì)Colburn關(guān)聯(lián)式的修正,因此,稱為Colburn2Donohue法。1.2　Kern法[6,8]????Kern法在Colburn2Donohue法的基礎(chǔ)上作了—些改進(jìn)。它的主要特點(diǎn)是將設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體來(lái)處理,即除傳熱外,同時(shí)還考慮殼程2管程流動(dòng)、溫度分布、污垢及結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。Kern[7]對(duì)這一設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(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。1.3　Bell2Delaware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),

4、Bell以1963年Colburn等完成的Delaware研究計(jì)劃成果為基礎(chǔ),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),是一種精確度較高的半理論方法。該法考慮了傳熱、流動(dòng)與結(jié)構(gòu)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,適用范圍受到限制。1.4　流路分析法[6,8研究.]????為了克服Bell2Delaware法的局限性,美國(guó)傳熱研究公司(HeatTransferResearchInc.,HTRI)利用Tinker的流動(dòng)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。天津大學(xué)也于1979

5、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)行計(jì)算。1984年Wills和Johnson對(duì)流路分析法進(jìn)行了簡(jiǎn)化,可以方便地進(jìn)行手算[8]。該法所依賴的各種流路阻力系數(shù)仍屬于經(jīng)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)法[11—16]????計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,為管殼式換熱器設(shè)計(jì)擺脫繁雜計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題的單純?cè)O(shè)計(jì)帶來(lái)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(gè)階段:①開(kāi)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

6、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(dòng)力學(xué)(CFD)和數(shù)值傳熱學(xué)為基礎(chǔ),開(kāi)展換熱器的三維流動(dòng)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(wèn)題。其中,①、②方面的工作起步較早,進(jìn)展較快,部分工作已有市售軟件。例如HTRI、HTFS(HeatTranferandFluidFlowServices,簡(jiǎn)稱HTFS)、B-JAC、THREM、CC2Therm研究.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(guó)內(nèi)也得到了廣泛應(yīng)用。第③階段的工作開(kāi)始相對(duì)較晚,由Patan2kar[14]于1972年提出。管殼式換熱

7、器內(nèi)的流動(dòng)是復(fù)雜的三維流動(dòng),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(gè)流動(dòng)和傳遞細(xì)節(jié),從而確定出流動(dòng)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)的原理與方法已達(dá)到“標(biāo)準(zhǔn)”化和“規(guī)范”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(wèn)題,這些也是目前研發(fā)的熱點(diǎn)和發(fā)展方向。2.1　多相流動(dòng)和傳