纵流式换热器流动与传热特性的数值研究

　　纵流式换热器流动与传热特性的数值研究汪健生，崔凯（天津大学机械工程学院，天津300072）方法将纵流式换热器管程、壳程中的对流换热与导热2种传热方式进行了耦合。根据计算结果，分析了纵流式换热器的管程、壳程的传热与流动特性。

　　换热器是一种广泛应用于化工领域的热工设备。管壳式换热器具有制造容易、成本低、清洗方便、工作可靠、适用于高温高压工况等特点，成为目前广泛使用的一种换热器111；但管壳式换热器也存在结构紧凑性较差、传热系数较低以及金属热强度较小等缺点。为解决这一问题，一种新型管壳式换热器―纵流式换热器应运而生，其具有良好的流动和传热特性，因此受到了广泛重视。

　　纵流式换热器是指以新型管束支撑物取代传统的折流板支撑，所产生的壳程自由流道使流体呈纵向流动的一类换热器121.初，纵流式换热器管束结构型式折管孔大于管径的整圆孔孔板1940年责任编辑：张士莹基金项目：国家自然科学基金资助项目（50476063）），男，天津人，副教授，博士，主要从事Short公布了这种结构的研究数据，当时该种换热器在国外应用十分普遍，尤其在层流条件下，其换热效果较好，压降较低；但由于其管束得不到充分支撑，因而被逐渐淘汰。直到20世纪90年代，国外提出了异形孔板结构，使孔板结构重新得到了发展。在此之后，美国菲利普石油公司开发了新型的折流杆纵向换热器。目前，国内外正在开发研制变形管无折流板管束结构换热器，并已逐步得到应用。

　　1纵流式换热器的主要特点纵流式换热器在壳程内的导热管之间增加了绕流管，增加壳程流体的扰动，改变了换热器的传热与流动特性。对于单弓形折流板式换热器，流体横掠圆管时，在其两侧的下游会交替产生漩祸，形成具有周期性的漩涡尾流，使得圆管压力分布产生周期性变化；此外，漩涡脱落还会造成流动阻力的周期性变化，导致圆管在流动方向上产生振动13.当用绕流管代替传统的折流板作为管束的支撑后，壳程流体实现了完全的顺流或逆流，有效传热面积增加，传热温差增大141，流体流动方向主要是平行于传热管轴线流动的纵向流，纵向流所激发的振动振幅较小，不会引起圆管的振动。

　　2纵流式换热器的结构为了了解流体在纵流式换热器内部的传热与流动特征，笔者对一工程中常用的纵流式换热器进行了数值模拟计算。该换热器总长为712mm，壳程长度为500mm，直径为175mm，壁厚为6mm.管程入口与管程出口的空腔对称布置，距换热器两端的距离均为100mm.管程入口、管程出口、壳程入口和壳程出口的直径均为50mm，壁厚均为3mm.传热管和绕流管米用直径为19mm、壁厚为2mm的圆管，没有折流板，传热管之间用短管（即绕流管）支撑和连接。绕流管和传热管的轴线相互垂直，绕流管和传热管均采用顺列1.25X 1.25布置，结构示意图见。

　　3管壳式换热器数值模拟管程内流体的流动与传热可以通过准则关系式进行计算而壳程中流体的流动与传热特性则要复杂得多。Patankar与Spalding曾经在1972年应用计算流体力学对换热器进行了数值模拟。20世纪80年代，由于换热设备向大型化、高参数化方向发展，使得实验研究的难度增加了，数值方法得到重视，有了一定的发展。目前对壳程中的传热管和挡板使用Patankar和Spalding提出的分布阻力概念，将壳侧的管、挡板、隔板等看成是多孔介质，用体积多孔度表示流体占有空间与壳程整体空间的比值，但多孔介质模型计算得到的流体在壳程中的流速并不能反映管间流体的流动细节51.为解决这一问题，笔者对壳程与管程均采用湍流模型进行求解，从细节上详细分析壳程的流动与传热特性。

　　3.1计算模型根据实体模型，控制方程如下161.连续性方程（PF）=0，对于本文研究的稳态问题，以上各对时间的偏微分项均为零，有关方程中各项的具体解释详见。第3版。北京：高等教育出版吴金星，董其伍。纵流式换热器的结构研究进展。北京：中国石化出版阎皓峰，甘永平。新型换热器与传热强化。北京：宇航出版出版社，1998.陶文铨。数值传热学。第2版。西安：西安交通大学出版艾夫根NH，施林德尔EL.换热器设计与理论源典。北京：机械工业出版社，2001.向本期所载论文的审稿专家致谢审稿专家名单如下（按姓名的汉语拼音顺序排序）：崔洪嬴崔海亭韩景元李美菊李荣平李伟琴刘恩福刘建业刘守信马洪涛马会英牟振云聂新永庞志锋沈金清宋心远王凤阳王蕾王敏文环明武义青杨奎河杨锁廷于新奇甄小丽郑晓明郑学明庄庆德（本刊编辑部）