管壳式换热器换热性能优化研究

廉宝刚 

上海盛睿海洋科技有限公司 201206

摘要：本文首先分析了管壳式换热器的特点，进一步研究了如何解决流体诱导振动的问题，并从流传热机理的分析、场协同理论介绍、流致振动的机理等方面逐一阐述，最后解析了管壳式管热气防振动设计方法，主要从换热管振动分析以及防止与利用其振动两大方面逐一论述，以期能够通过解决管壳式换热器换热性能的振动问题，来不断优化其换热性能，仅供参考。

关键词：管壳式；换热器；换热性能；性能优化

前言：换热器是一种将热流体部分热量传递给冷流体的装置，其在我国的化工、石油以及食品加工等工业领域发挥了重要的作用，近年来随着国际海上LNG贸易的蓬勃发展，大量的LNG运输船订单生效，作为船用LNG系统中核心设备的LNG换热器的需求也在迅速增长，市场前景客观。换热器依照其传热原理的不同，当前可以分为间壁式、混合式、蓄热式等几种类型，其中本文所要研究的对象为间壁式管壳换热器，主要由壳体、管板、管束等部分组成，在实际应用的过程中极易出现换热效率低下、高频振动以及管束结垢等问题，因此要加以优化。

1管壳式换热器特点的分析

管壳式换热器是我国工业生产中的一种传统换热装置，当前已经有了相对成熟的生产技术，并且由于结构较为简单，也方便工作人员的操作，在运行的过程中可靠性也较高，被广泛应用于能源与化工行业。虽然，其具备了以上几点优势，但在实际运行过程中也存在着一些显性问题，例如：常规的管壳式换热器换热基础元件为光滑圆管，管束需要依靠弓形折流板来支撑，并对壳程流体起到导流的作用，壳程流体在运行时，会以“Z”型进行运动（如图1所示）。而拐弯处很容易导致折流板的前后产生涡流停止区即传热死区，流动阻力较大，导致其中的流体引发换热器振动现象的出现。通过高频率的振动，会导致换热器的换热管管束出现故障，因此换热器的换热性能也会下降，极易造成设备的停运或者诱发大型安全事故。所以，通过对传统管壳式换热器性能与结构的分析，能够有效避免传热死区的出现，从而最大限度地提升其换热质量[1]。

图 1 管壳式换热器弓形折流板课程流动示意图

2分析和解决流体诱导振动

换热器的换热工作主要通过两种方式开展，一是热对流；二是热传导，相对的当前优化换热器换热性能也有两种方式，一是强化二次流；二是对流干扰法，但从目前我国对管壳式换热器的性能优化研究来看，虽然上述两种方法，起到了一定的效果，但也存在功耗较大，流致振动破坏较为严重的问题，并且在控制的机理上仅停留在了模型优化，会对资源造成一定的浪费。

而为能够有效解决传统管壳式换热器换热性能所存在的问题，本文则提出了通过场协同原理的方式，站在流场与温度场交互协调的角度，来探究其换热过程机理，并以期通过解决换热器流体所引发的振动问题，将设备的故障率降至最低，从而进一步提升其使用价值[2]。

2.1流传热机理分析

第一，基本机理。管壳式换热器的流传热是指，当流体流过固体表面，对流与导热同时完成能量传递作业的过程，其在运动的过程中，会出现在流体温度不同的区域，也包括了热传导与热对流两种物理运作方式。

从导热的部分来讲，必须要建立在两个不同温度的物体或者同一物体两个不同的温度基础之上，可以通过Fourier定律公式加以分析，推导出式（1）导热微分方程式。对流换热过程可利用牛顿冷却式分析，推导出边界层内换热过程表达式（2）。

（1）

（2）

式中P表示为密度；T表示为温度；表示为温度梯度；表示为内热源，如果无热源此项即为0；k表示为传导系数；h表示为换热系数。

第二，控制方程。在建立连续性方程时，需要依照质量守恒定律进行分析，并将流体作为微小质点。依照其连续的分布结构，各项物性参数也会发生改变，针对不可压缩的流体可以将其连续方程通过直角坐标系转化为式（3）。而后，可以依照牛顿第二定律，得出动量守恒方程式（4），最后再利用热力学第一定律，推算出流体的三维非稳态能量守恒表达式（5）。

（3）

（4）

（5）

式中的即热扩散系数；表示为时间；t表示为温度。

2.2场协同理论介绍

在对场协同原理进行研究时，需要首先分析流传热边界层问题，通过上述内容的分析，可以得知在边界层内，流体的流速为0，因此可以将对流换热过程，作为流体的导热过程，结合边界层流动曲线图与平行板导热曲线图进行对比。在分析的过程中发现，由于换热器平板内的热源释放能量，必须要通过低温板面传出，所以该区域内的热源强度也会较高一些，表面的热流密度也会随之增强，而这也是在优化管壳式换热器过程中所要聚焦的重点，需要加大对管壳式换热器流源项、导热源项、真实热源项、热流密度的分析与优化。同时，在对流传热进行控制以及强化途径研究的过程中，要从基本的二维对流换热问题进行推导。最后，可以总结出场协同理论相比传统的优化方式，存在以下几点优势：第一，可以站在流场与温度场协同的角度，研究流换热规律，提高优化对策的精准性。第二，实现传统传热理论的统一，同时延伸出新的技术与方法；三是优化换热器传热性能的同时，也会减少泵功，进一步加快传热的效率。

2.3流致振动的机理

在现代化工业生产中所使用的管壳式换热器，随着社会生产力发展，已经逐渐演变为了大型化和高流速的结构，其也进一步提升了换热系数，并也降低了基础换热元件所积累的污垢，但由于连续的作业也会造成换热器内部元件负荷过高，导致振动问题的产生。其所发生的机理为，由于换热器在作业过程中，流场发生了变化，因此就会对换热元件产生影响，最终导致换热器出现振动现象。而如果当流体激振频率与换热管既有频率已经达到了接近的状态，那么便会产生共振现象，振幅会随着共振的增大，引发剧烈振动问题的出现，从而使得元件出现破损，并降低换热性能。具体的破坏形式有以下几种：第一，冲撞式破坏；第二，挡板损坏；第三，接头暴露；第五，应力过于疲劳等。而依照流致振动运作机理，可以将主要诱发原因归纳为以下四点，即漩涡脱落激振、紊流抖振、流体弹性激振、声共鸣引起。

2.4换热器仿真实验

针对上述所分析的流致振动机理和振动所引发的主要原因，工作人员还要加大对管壳式换热器在不同工况下，换热以及流动特性的研究，在此过程中可以应用Fluent软件，对目标换热器数值进行模拟仿真，以便提高实验结果的精准性。而同时也要从局部流动换热的角度，去分析折流板换热器的流动与换热性能，可以利用CAD软件对相关数值进行深入分析，以便缩小试验与仿真结果之间所产生的差距。最后，通过仿真实验模拟，利用了Nu数以及j/f因子，结合场协同原理对换热器的各项性能进行评测，可以确定依照场协同原理进行其性能的优化具备较高的精准度。

3管壳式换热器防振动设计

3.1换热管振动分析

依照前期所分析的流致振动原理，可以判断出管壳式换热器的振动问题对于其热性能的影响较大，结合TEMA相关标准以及ANSYS仿真方法的计算，可以推导出，在不同跨距下换热管所存在的固有频率和在不同支撑工况下换热器的临界流速，而通过Fluent软件的分析，能够在不同的流速状态下，得知换热管所要受到的作用力变化，因此可以为后期的换热器防振设计做以参考[3]。

3.1.1多跨管固有频率

管壳式换热器中有一些固有的部件，如壳体、换热管以及折流杆等，而在不同的工况下，其振动的频率也不同，但其中的换热管是最有变数的一个部件，因此其很容易受到流体流动的激励影响，同时也很容易在低阶频率的状态下，产生共振问题，为有效防止这一问题的出现，技术人员在对其进行优化时，需要先分析换热管的固有频率。通过TEAM原理得知，可以将多跨管分解为多个单跨管，单跨管的固有频率，也就是管壳式换热器多跨管的固有频率，其计算公式如式（6）。

（6）

式中表示单跨直管频率；E代表材料弹性模量，单位为MPa；J表示换热管横截面惯性矩，单位为m4；l表示换热管的跨长，单位为m；m表示换热管单位长度的有效质量，单位为kg/m；C表示边界条件有关常数（在简支的状态下C=9.9）；A表示轴向力影响因子。最后，通过分析固有频率与跨距之间的关系，可以得知换热管跨距的增加，会伴随着固有频率的减少，固有频率越低，则越容易产生共振问题，因此在优化换热器性能时，则要减少管子与折流孔之间的距离。

3.1.2临界速度的计算

结合对换热管固有频率相关数据，通过公式（4）与其直角坐标系上下转换公式可以得出，换热器在管束不同的跨距状态下，横向与纵向流致管共振所产生的临界流速。而通过后期对临界流速与跨距数关系之间的分析，可以获得以下几点结论，一是横流式的换热器临界流速要小于纵流式的换热器流速，并且换热系数会随着流速的增加而变大，由此不难看出，在相同的管支撑条件之下，若想对换热器的热性能进行优化，则可以利用提高流量的方式，使得纵流式换热器换热系数变大。二是通过观测不同流量下的压力分布云图，可以得知纵流换热器的压降，不会受到流速的变化而变化，因此在优化换热器的换热性能时，可以考虑通过增大纵流式换热器换热系数的方式开展，其不会对换热器工作压力以及共振情况产生显著的影响。

3.1.3漩涡激振的仿真

通过对换热管漩涡激振的防震，结合前期相关公式以及管束固有频率与计算频率统计图的分析，可以得知在临界速度下漩涡脱落频率与换热管固有频率之间刚好吻合，因此可以断定当在一定的流速下漩涡脱落会对换热管产生作用，其管束的固有频率越接近作用频率，则会产生共振。因此在初期设计换热器时，可以考虑通过限定换热器临界流速的方式进行优化。

3.2防止与利用振动

依照上述优化思路的分析，本文在对换热器的换热性能进行优化时，将重心放在了其防止振动以及利用振动两大方面。

3.2.1防止振动

在防止振动方面，一是可以通过降低壳程流体流速的方式开展，根据本文上述内容可以得知，诱发流体出现振动的主要原因是漩涡脱落、流体弹性激振以及流速变化等，而通过降低流速的方式，能够保证管壳式换热器既有振动频率不变，同时也减少了共振问题的出现。

二是，可以通过增加换热管既有频率的方式防止振动问题的出现，通过TEMA标准的分析，可以得知如果将跨距减少到20%，那么既有的频率也会相对的增多50%。但是如果一味地将跨距减少则会导致管壳式换热器的压降不断升高，也会使得设备变得相对笨重，因此要依照实际作业情况，在既定允许的范围之内，缩短管束与折流板孔之间所存在的距离，同时增加系统的阻尼，可以达到提升固有频率的目标。

三是，可以通过有效抑制周期性漩涡脱落的出现，防止振动问题，从而优化换热器的换热性能。在此过程中，建议采用扩展表面管方式开展，将管的外侧附着螺旋条或者一些稳流翅片，可以达到抑制周期性漩涡的效果[4]。

四是，通过改变换热器结构的方式来对其进行优化，该种方法最为直观也较为简单，在实际操作的过程中，工作人员可以通过改变支撑管子的形式开展。

3.2.2利用振动

从客观的角度而言，换热器产生振动问题不可避免，而面对长期以来的振动问题，人们总是将优化的重心放在了怎么杜绝此类问题的出现上，来减少对换热器换热性能的影响，实际上也可以从利用换热器振动性能的角度，来不断优化其设计。一是通过前期的实验以及分析能够判定出，换热表面所产生的振动，能够有效破坏边界层以及对流体干扰，实际上这是一种积极的影响，其可以利用雷诺数原理，来适当的提升换热表面的振动频率，以此来提高管壳式换热器的换热系数。二是，可以通过换热表面振动变形的方式，用以解决换热面中所存在的积垢问题，而这也能有效解决传统管壳式换热器所存在的积垢，诱发热阻传递变大的情况，可以达到优化换热器换热性能的目标。

结语：综上所述，随着我国经济实力不断地增强，海上LNG贸易也得到了快速的发展，而管壳式换热器已成为大型LNG运输船的必备装置，针对当前管壳换热器在实际运行过程中所存在的换热效率低下、诱发振动、管束结垢等问题，则要加大对换热器运作机理的研究，通过科学的模拟试验方案，来发现换热器既往运行过程中所存在的显性问题与潜在风险，以此不断提高其换热效率以及使用寿命。

参考文献：

[1]成庆林,王晓娜,杨金威,等. 管壳式换热器强化传热及火用传递研究进展[J]. 化工机械,2022,49(04):560-567+573.

[2]温馨. 螺旋内插件在管壳式换热器中强化传热技术的研究[D].北京化工大学,2022.

[3]陈东明. 管壳式蓄热器与复合相变材料的强化传热特性研究[D].青岛科技大学,2022.

[4]刘伟毅. 管壳式相变储热装置结构协同优化的数值模拟研究[D].昆明理工大学,2022.