第一章 绪 论.doc

第一章绪论
东北石油大学硕士研究生学位论文

第一章绪论
1.1课题提出的背景及意义
换热器是用来实现热量的传递，使热量由高温流体传给低温流体，是一种实现物料间热量传递的通用设备，在石油、化工、动力、核能等工业领域有较为广泛的应用[1]。有数据显示，在当今炼油化工厂中，各种不同类型的换热器大约占全部设备资金投入的40％，其动力的消耗大约占到总体能量消耗比率的20%～30%[2]。介于换热器的地位如此重要，改善换热器的结构，提高换热器的换热性能对节约资源、降低能耗、减少成本有很大帮助。
在二十世纪的早期，为了满足当时对大型换热设备的工业需要，而开发设计了最初的管壳式换热器[3]。经过近一百年左右的发展，其设计规范标准和生产加工方法都已经非常成熟，可以很好地满足工业实际生产需要。其中最为著名的要数Bell-Delaware设计方法和Tinker教授的流路分析法[4]。
现代工业常用的换热器，冷热两种流体一种在管内流动，一种在换热管与壳壁之间的壳程流动，冷、热流体通过换热管束来进行热量的相互交换，从而使冷流体温度升高，热流体温度降低，最终满足工艺过程的需要。在石油炼化等行业中经常使用的管壳式换热器，由于其构造相对简单，设计规范和制造工艺非常完善，适应性较强，安全可靠性高等特点逐渐在市场占据了主导性的地位[5][6]。为了增强换热器的传热效果，在壳程内部安装形状不同的折流挡板，折流挡板的存在不仅能够对换热管束起到支撑的作用，而且对改变壳程流体的流动状态，提高换热器的换热效率起到较为关键的作用。折流挡板的形式多种多样，工业中经常使用的管壳式换热器，传统弓形折流板的应用最为普遍，其使用范围也比较广泛。
本文以常用的管壳式换热器作为研究对象，在对几何模型进行假设简化的条件下，运用CFD软件Fluent对管壳式换热器壳程流动与传热进行了数值模拟。本文模拟研究的重点在换热管束的排列方式，以及折流板结构参数变化对换热器壳程流体介质流动与传热的影响。在换热器外部尺寸相同的情况下，通过对换热管束的排列方式，折流板间距和折流板窗口圆缺高度以及折流板厚度等的改变来进行分析。研究得到几种不同换热器结构下壳程流体的速度矢量场云图、压力场云图和温度场云图。并且得到壳程进出口压降、换热系数、换热器性能系数随折流板间距或壳程流速变化的特性曲线。研究分析管壳式换热器的壳程流动与传热问题可有利于提高换热器的传热效率，降低能源消耗，对于减少成本投资，提高企业的经济效益具有重要意义，同时可为换热器理论设计研究作参考。

1.2换热器简介
1.2.1换热器的分类
为了满足工业生产上的各种不同需求，出现了材质、工作条件和用途各不相同的换热设备类型，根据作用原理或传热方式不同，可将换热设备分为以下几种主要形式[7][8]。
1.直接接触式换热器，此种类型换热设备又被称作为混合式换热器，它是利用冷流体与热流体二者之间相互接触，彼此间相互混合进而使热量得以交换的换热器。如冷却器、冷却塔、冷凝器等。此类型换热器单位容积能够提供的换热面积大、换热效率比较高、整体设备结构也相对简单、制造成本较低。但使用场合较窄，只有在工艺上允许两种流体相互混合的情况下才能使用。
2.蓄热式换热器，此种类型换热设备又被称为回热式换热器，蓄热式换热器通过基质或填料等介质的短暂能量储存，把热量从一种流体传递给另外一种流体。蓄热式换热器单位体积换热面大、制造成本不高、结构较为紧凑，比较适合于两交换介质均为气体的热交换情况。如固定床蓄热式换热器、回转形式的空气预热器等。
3.间壁式换热器，此种类型换热设备又被称为表面式换热器。这种类型换热器通过自身的间壁将进行换热的冷流体与热流体相互隔离开来，两种流体互不接触，相互之间也不干扰，通过间壁将热流体的热量交换给冷流体的换热器。间壁式换热器是实际生产中使用最为广泛的换热设备，它的型式有很多种，如最常见的管壳式换热器、夹套式换热器、板式换热器等。
4.中间载热体式换热器，此种类型换热设备是将两个间壁式换热器通过在其中不断循环的载热体而彼此连接起来的换热器。由于载热体在低、高温两种换热器间来回循环，将高温流体的热量逐渐传递给低温流体，从而使高温流体温度降低，低温流体温度升高，如热管式换热器等。
1.2.2管壳式换热器
管壳式换热器是间壁式换热器中最普遍的一种换热设备，介于它的使用范围非常广而且其结构型式也很多，管壳式换热器大体上可以分为以下几种类型：U型管式换热器、固定管板式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器[9]。它们有一个共同的结构特点，那就是都有金属圆形的壳体，壳体内部安装排放整齐的换热管束，所谓的管程就是流体流介质经换热管内的通道，流体介质流经壳体内壁与换热管外壁之间的通道称之为壳程。冷流体与热流体主要通过换热管外壁面来进行热