管壳式换热器流场和温度场数值模拟研究

摘要

管壳式换热器是一种在很多工业部门中大量使用的标准换热设备，特别是在石油、化工及能源等部门所使用的换热设备中处于主导地位。但在实际使用中经常发生失效现象。失效的原因有结构力学、流体力学和化学等几个方面。国产换热器和相同换热容量的国外产品相比，更有体积大使用寿命短的缺点。新产品和新工艺的开发以及对环境要求的提高使得对换热器要求不断提高。因此，对现有设备进行失效分析和升级改造在用换热器，设计开发新型高效的换热设备，有着重要的意义。
　　 本文针对A厂一台管壳式换热器常因壳程进口处管束大量断裂而失效的问题，在对换热器运行工况、换热介质的性质和换热器的材质等进行深入调查的基础上，对导致换热器失效的流体力学因素进行了系统的分析。文中运用了工程模拟软件FLUENT在接近实际运行工况的稳态流场、稳态温度场和其壳程瞬态流场进行了模拟计算，同时还结合换热器的实测数据进行分析，并根据分析结果对换热器结构参数进行了改进。
　　 研究发现，在换热器壳程有两个部位集中了换热介质的流动参数的波动：一个是进口段靠近壳程进口的两排换热管：另一个是换热器壳程出口段靠近壳程出口的一排换热管附近。换热器壳程出口管背向来流方向一侧有一明显的“死区”，这种不均的分布使得温度场分布显著不均，导致了换热器内部的热应力集中及换热管强度的下降。靠近壳程进口的第一排换热管受到流体集中的冲击与冲刷。这个部位的流体的流速最大而且能量耗散明显高于其它部位。
　　 换热管中流速分布严重不均，造成换热管束中温度分布严重不均，引起了较大的热应力可能导致管板的连接失效。而且，在目前管程结构下，在换热介质挟带固体时，靠近管程中心线的换热管将从内壁最先磨薄，导致强度不足而破裂。大涡模拟及流体诱导管束振动计算表明，卡门涡频率与换热管固有频率之比小于0.5，横流速度低于临界横流速度，该换热器不会发生流体诱导的管束过度振动。但管束2m的跨度大于该规格的换热管的最大无支撑跨距1.85m，需要增加管束支撑。
　　 研究认为，换热器改造及优化设计时对其进行流场、温度场及流体流动诱导管束振动进行分析是必要的。而且对换热器结构进行简化，建立简化的换热器模型进行数值模拟和分析是可行的。
　　 研究还认为，在换热器壳程增加1块圆形防冲板和2块圆缺形折流板，在管程进口管内增加1只顶角为45°的锥形导流筒，可以有效改善换热器内部流场和温度场，控制管束振动，避免换热管挠度过大，从而大幅提高换热器的使用寿命。