管壳式换热器流动特性仿真模拟及结构优化

点击：2091 日期：[ 2014-04-26 21:14:30 ]

管壳式换热器流动特性仿真模拟及结构优化周伟王庆明（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）摘要：运用 SolidWorks中的流体仿真模拟插件 Cosmosfloworks对管壳式换热器的流动特性进行仿真模拟，对管壳式换热器的管束腐蚀情况进行研究。首先通过 SolidWorks对管壳式换热器进行实体建模，然后结合流体仿真模拟插件 Cosmosfloworks完成流体仿真计算，最后得出导致腐蚀的原因并提出管壳式换热器的结构优化方案。关键词：管壳式换热器；SolidWorks；Cosmosfloworks；流动特性；管束腐蚀；结构优化中图分类号：TG172；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1672- 545X（2009）01- 0022- 03 用于化工生产的设备中，换热器占很大比例，约占设备投资的 20%～40%。换热器为化工过程中最基本的单元操作，其换热状况的好坏，直接影响着整个装置的平稳运行及综合经济指标，对生产的安全、稳定、长周期运行起着重要的作用。管壳式换热器因其结构坚固、适应性大、制造工艺成熟等优点，成为主要的化工换热设备。换热器由于受压、介质有腐蚀性、流动磨蚀，尤其是固定管板换热器还有温差应力，管板与换热管联接处极易泄漏，导致换热器失效，造成了物料的浪费和环境的污染, 而且影响了换热器的工作效率和正常的工艺性能,。泄漏已成为生产中不容忽视的重要问题[1]。因此，研究换热器的泄漏及失效问题具有很大意义。本文主要针对管壳式换热器作研究。管壳式换热器经使用后产生泄漏现象，经检查，发现漏点出现在列管与管板连接处，并有腐蚀现象。通过焊接对该换热器进行堵漏，可暂时解决泄漏现象。但是在经过一段时间之后，在其他列管处再次出现相同的情况。因此，希望对该换热器进行分析，找出引起泄漏的根本原因，以便能在设计上对其进行优化。 1 管壳式换热器及腐蚀状况 1.1 管壳式换热器简介管壳式换热器主要由壳体、管束、管板（又称花板）和顶盖（又称封头）等部件组成。管束安装在壳体内，两端固定在管板上，管板分别焊在外壳的两端，并在其上连接有顶盖。顶盖和壳体上装有流体进、出口接管。沿着管长方向，常常装有一系列垂直于管束的挡板。进行换热时，一种流体由顶盖的进口管进入，通过平行管束的管内，从另一端顶盖出口接管流出，称为管程。另一种流体则由壳体的接管进入，在壳体与管束间的空隙处流过，而由另一接管流出，称为壳程。管束的表面积即为传热面积。流体一次通过管程的称为单管程，一次通过壳程的称为单壳程。管壳式换热器传热面积较大时，管子数目则较多，为了提高管程流体的流速，常将全部管子平均分隔成若干组，使流体在管内往返经过多次，称为多管程。为了提高壳程流体的速度，往往在壳体内安装一定目与管束相垂直的折流挡板（简称挡板）。这样既可提高流体速度，同时迫使壳程流体按规定的路径多次错流通过管束，使湍动程度增加[2]。 1.2 腐蚀状况经过对列管与管板连接处的仔细观察（如图 1 所示），发现腐蚀情况在列管与管板连接处较严重，并且主要位于列管入口端约5cm范围内、管内壁腐蚀具有方向性和不均匀性，呈漏斗形。 2 流动特性仿真模拟结果及分析 2.1 对换热器进行 SolidWorks 建模按照换热器的工程图纸，对管壳式换热器进行 SolidWorks 封闭实体建模（如图 2 所示）。 2.2 利用 SolidWorks 中的流体仿真模拟插件 Cosmos floworks 进行仿真模拟[3] 如图 2 所示，规定边界条件：边界条件在内部的流动分析和外部流动分析模型表面上用来指定模型入口和出口流动的特点。定义入口流体为氨气，流速为 0.5 m/s，从出口 2 流出。得到如图 3 所示的气体流动仿真模拟图，由图可知，列管存在流速分布不均匀的情况，右侧平均速度明显要高于左侧，且出现速度极端情况，明显地看到每根列管的流速也不同。 2.3 仿真模拟分析磨损腐蚀是由于腐蚀流体与金属表面间的相对运动，引起金属的加速破坏腐蚀。磨损的流动介质可以是气体、水溶液以及含有固体颗粒、气泡的液体等。当流动介质运动的速率加快，同时又在机械磨耗或磨损作用下，金属以水化离子形式溶解进入液体。由此可见，磨损不同于纯机械力的破坏，在机械力的作用下，金属以粉末形式脱落。若这种相对运动的物质是气体、液体或含有悬浮固体颗粒或气泡的液体时，在机械力和电化学的共同作用下造成湍流腐蚀、气蚀等破坏[4]。再结合腐蚀严重部位在换热器的列管入口处，尤其入口端约 5cm 范围内、管内壁腐蚀具有方向性和不均匀性，呈漏斗形。由于列管与管板材质相同、列管内的流动介质都相同、腐蚀具有方向性和不均匀性，列管之间的区别在于由于设计结构所导致的流速分布不均，再结合流体为气液两相，所以初步判断列管的腐蚀方式为磨损腐蚀。同管壳式换热器管板的腐蚀情况图作对比分析表明（见图 4），实际腐蚀的列管在管板上的分布位置与流体流动速度相对较大的分布位置颇为吻合。这一定程度上验证了管板腐蚀原因是磨损腐蚀的判断，而引起换热器列管出现流速分布不均的主要原因是不合理的换热器结构所导致的。 3 结构优化根据上面得出结论，现提出若干换热器结构优化建议，目的是以尽量小的改动成本来改善列管中流体的流速分布情况。 3.1 添加弓形挡板为了使各列管入口处流体速度达到均匀分布，在换热器的列管上方设置一带孔洞的弓形挡板并进行实体建模（如图 5 所示）。对其进行流体仿真模拟，得到气体流速分布图（如图 6）。由图 6 分析表明，气体的流速分布比之前不设置弓形挡板的模型均匀，避免了出现明显极端流速的情况，改善了列管入口流速的分布，起到了一定的流速优化作用，由此也进一步证明了，换热器的结构的差异，将导致各列管中流体流速的巨大差异。 3.2 改变流体入口位置如图 7 所示，将原本在换热器上方的入口移动到侧面，具体位置如图中所示并对其重新进行实体建模。按照前面的操作过程，对其进行流体仿真模拟，得到气体流速分布图（如图 8 所示）。由图 8 分析表明，气体的流速分布比改进前的模型更均匀，同样避免了出现极端流速的情况，改善了列管入口流速的分布，起到了一定的流速优化作用。 4 结论（1）发生在管壳式换热器列管管束入口5cm 范围内的腐蚀，其原因是换热器结构设计的不合理所带来的管束入口流速不均匀而导致的，从而加速了腐蚀剂的供应和腐蚀产物的转移，发生较明显的电化学与流体力学的交互作用，导致了磨损腐蚀破坏[5]。（2）通过对换热器的流体仿真模拟得出对于管壳式换热器进行的结构优化方案是有很大参考价值的，为管壳式换热器管束的磨损腐蚀的进一步研究提供可靠的工具。（3）为管壳式换热器的结构设计提供可靠的分析手段。参考文献 [1] 朱日良.管壳式换热器管板与换热管焊接常见质量问题的预防[J]. 化工装备技术，2004，（2）：35- 36. [2] 王中铮，史美中.热交换器原理与设计[M]. 南京:东南大学出版社， 1989. [3] 谢昱北，许晔. SOLIDWORKS 2007 中文版机械设计与典型范例 [M]. 北京：电子工业出版社，2007. [4] 梁成浩. 现代腐蚀科学与防护技术[M].上海：华东理工大学出版社， 2007. [5] 代真，沈士明. 高压空气冷却器管束冲蚀破坏的数值模拟及其结构优化[J]. 核动力工程，2007，（8）：104- 107,127.

上一篇：螺杆压缩机油换热器和后换热器的泄漏原因及改进措施

下一篇：管翅式换热器管路布置优化设计的数值研究

管壳式换热器流动特性仿真模拟及结构优化

相关资讯