列管式换热器的设计开题报告(3)
3.1.3 折流杆支撑结构的发展
传统的管壳式换热器壳程流体横向冲刷管束，传热效率较低，流动阻力大， 常发生流体诱导振动而导致破坏。为解决换热管束的振动问题，美国菲利浦石油公司在20世纪70年代开发了折流杆式换热器，该换热器不仅解决了振动问题，而且由于壳侧流体的纵向流动使折流杆换热器比传统的弓形折流板换热器传热系数提高30%左右，壳程压降减少50%[9]。折流杆换热器作为一种新型管壳式换热器，已得到较深入的研究。与传统的折流板管壳式换热器相比，折流杆换热器的优良的防流体诱导振动性能、较高的壳侧给热系数、较低的压力降、较强的抗结垢能力、较长的使用寿命，已获得工程界的认同，目前已得到较广泛的应用。为了充分发挥折流杆换热器的优越性，当前迫切需要对折流杆换热器进行优化设计，提出实用化的工程优化设计方法，取得最佳经济效益[10]。
3.1.4 空心环支撑结构的发展
管壳式换热器空心环支撑结构，这种管壳式换热器以强化管型作为换热管，空隙率大，流动阻力比较小，流体的压降表现为在粗糙壁面上流体湍流度增强，进而强化传热。也就是说，流体动力不是完全的损耗掉了。而且用这种结构形式代替折流板，能够降低换热器钢材的消耗量，可以减少35～50％，还可以使气体压降减少30～40％。这种结构是由华南理工大学化工学院传热强化与过程节能重点实验室邓先和等人发明，解决了石油化工等行业应用的传统管壳式换热器的种种弊端，例如传热性能差、钢材耗量大、流阻比较大，系统整体耗电量等[11]。
3.2 管壳式换热器管程强化传热研究进展
3.2.1 螺旋槽管
螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管，管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数，起到双边强化的作用。根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分，其主要结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角B。美国、英国、日本从1970年至1980年间对螺旋槽管进行了大量的研究。华南理工大学、北京理工大学和重庆大学也对螺旋槽管进行试验研究，而且都取得显著的成效[12]。
3.2.2 横纹管
横纹管，1974年前苏联首先提出横纹管，它是一种用普通圆管作毛胚，在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽，同时在管内形成一圈突起的环肋。其强化机理为：当管内流体经横向环肋时，管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时，流体又流经下一个横肋，不断产生轴向涡流，因而保持连续且稳定的强化作用。
3.2.3 内插入物管
内插入物管内插入物的类型有很多，主要有：麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态混合器等。各种插入物的强化传热机理一般可分为以下四种：形成旋转流；破坏边界层；中心流体与管壁流体产生置换作用；产生二次流。管内插入物的优点是对旧的换热器设备进行改造，以提高其换热性能[13]。
3.2.4 三文内肋管
三文内肋管是通过专用的工具经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。流体在管内受到三文肋的作用而使其热边界层的厚度减薄，从而提高对流传热膜系数。在某些烟气管对流换热中，三文内肋管具有独特的自清灰功能，李清方教授经实验，发现烟气与三文内肋管的对流换热系数可达光管的3.2倍，比其它强化管如螺纹管的传热效果好[14]。
3.3 数值模拟技术在管壳式换热器中的应用
数值模拟是换热器研究的一种重要手段。应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳程流场，由Patankar与Spalding在1974年最早提出[15]。受到当时计算机与计算流体力学的条件限制，研究进展缓慢。20世纪80年代，由于核电厂换热设备的大型化、高参数化发展，促进了换热器数值模拟研究的开展[16]。目前国内外换热设备的主要结构形式。随着计算机的飞速发展，以计算机仿真模拟技术、先进流体测量技术等为代表的现代研究设计方法，已经成为传热研究中观察显示物理特性的强有力工具，极大地促进了换热器技术的深入研究和新型换热设备的开发应用[17]。高效换热器技术的发展以计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[18]。FLUENT是世界领先、应用广泛的CFD软件，用于计算流体流动和传热问题。FLUENT软件是基于CFD软件群的思想，从用户需求的角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，使得特定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。计算了不同流体初速下，管壳式换热器壳程的速度场、温度场和压力场，计算结果与实际情况相符，得到了有参考价值的结论[19]。
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