1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1背景及国内外研究现状

1.1.1管壳式换热器相关背景

换热器作为工业生产中进行热交换操作的通用设备，广泛应用于化工、电力、冶金、航空、动力、食品等工业部门中，特别在石油炼制及化学加工装置中占有重要地位。近几十年来，由于对节约能源和环境保护的重视，换热器的需求量不断增大，针对换热器强化传热技术的研究也得到广泛关注。在过程工业中，管壳式换热器使用最多，具有结构简单、加工制造容易、耐压性强、适应能力广等优点，广泛应用于化工生产中，且设计资料和数据较为完善，技术比较成熟。

管壳式换热器的原理和结构：管壳式换热器的主体是间壁式换热器。如果管程和壳程的流体温度出现不同的时候，就会将温度比较高的流体通过管壁．将所包含的热量传输给温度比较低的流体，从而使得温度比较高的流体能够迅速的降温，温度比较低的流体能够进行加热，实现了换热工艺。管壳式换热器的主要结构包含了管箱、壳体、折流板、管板等。

管壳式换热器的壳体主要为圆筒形，管子主要为直管或者U形管。管壳式换热器的主要分布结构成三角形或者正方形等相关的方式，当管壳式换热器按照三角形方式开始布置的时候。同样口径的壳体内，能够摆放非常多的管子，这些管子能够有效的加强管壳式换热器的换热面积。不过这种摆放管子的方式很难对管子进行清理，并且流体的所产生的阻力非常大，管束中间建立了折流板，通过折流板对壳程流体的目标进行改变，让流体能够对管子进行不停地冲刷，这种方式很大程度上提高了传热的效果，同时还能够为支撑管子提供帮助。其分类方式如下表。

1.1.2国内外研究现状

换热器的强化传热从广义上可以分为主动强化传热技术与被动强化传热技术两大类。主动传热强化需要外部对系统施加动力来实现强化传热的目的，如对流体进行搅拌、施加表面振动、流体振动、静电场、磁场等。

主动强化传热技术比较复杂，需要外部器械进行辅助，并不适用于大部分系统。被动强化传热指不需施加外力，依靠改造传热面、改变流道形状或附设导流原件等措施来改变流体的流动，促使边界层流体发生较大的扰动，以达到强化传热效果。主要通过优化换热器几何结构、改变流体物性等来提高传热速率，不需要外部设备且操作简单，因此更加广泛地被应用于实际工艺中。强化传热技术的发展一般可以划分为5个阶段：第一代为光滑表面阶段，通过人为使表面粗糙化可称为第二代，第三代为插入件扰动阶段，第四代为喷流扰动阶段，第五代为使用旋流器等贴壁流扰动阶段。第四、第五代多为主动强化传热技术，由于主动强化传热技术运用条件较为复杂，目前国内外针对管壳式换热器强化换热的研究主要还是集中于被动强化传热技术。

换热器强化传热的目的是在相同动力消耗条件下，单位时间、单位面积下尽可能增加换热量。通过提高利用效率使其结构更加紧凑，占用空间少，节约原料同时提高生产率。针对管壳式换热器的强化传热主要有以下方式：管程强化传热、壳程强化传热、流体本身物性优化以及复合强化传热等。其中管程强化传热主要是通过改变换热管外形，在换热管表面加工形成凸起对流体进行扰动，从而强化传热。目前主要研究的强化换热管包括波纹管、横纹管、螺旋扁管、缩放管、翅片管等。在管内添加插入物，不断改变传热面形状扰动管内流体，常用的内插件有纽带、间隔纽带、螺旋片、螺旋线等。壳程强化传热可以通过改变换热管外形，在换热管外壁加工翅片形成扩展表面，增加换热面积，提高换热效率，以及通过优化壳程支撑结构来实现壳程强化传热。壳程管束支撑结构如弓形隔板、螺旋隔板等可以通过引导流体进行流动进行强化传热。针对管束支撑结构的研究主要集中在螺旋隔板结构的优化方面。除了换热器本身几何结构的优化，改善换热流体热物性也吸引研究者关注，主要研究集中于提高流体热导率和比热容。纳米流体是将纳米粒子分散在基液中，可以有效提高流体导热率，目前主要研究的纳米颗粒有TiO2、Al2O3、CuO、Cu、多壁碳纳米管等，常见基液为水、乙二醇等。潜热型热流体是一种以相变材料为基础的集储热和传热功能于一体的新型工质，主要有相变乳液及相变微胶囊悬浮液等。相变乳液是通过表面活性剂将相变材料乳化分散于基液中，而相变微胶囊是使用微胶囊封装技术将相变材料封装在聚合物中，形成核壳颗粒。潜热型热流体利用相变材料本身高潜热值而提高流体的热容。

近几年关于管壳式换热器的强化传热的相关研究进展，主要包括管程强化传热、壳程强化传热、流体本身的强化传热以及复合强化传热。其中管程强化传热主要介绍波纹管、横纹管、螺旋扁管，缩放管等强化传热管。管内插件包括纽带、间隔纽带、螺旋片、螺旋线等。通过强化传热管及管内插入物对流体进行扰动，破坏边界层从而强化传热，但其相对光滑管具有易结垢、难清洗等缺点。壳程强化传热介绍翅片管及管束支撑结构（螺旋隔板）的相关研究。翅片管扩大了传热面，且造成流体扰动，增加紊流度，从而达到强化传热的效果。螺旋隔板通过引导流体进行流动，增加湍流，以提高管间的传热效果。纳米流体在换热器中的应用在近几年得到广泛关注，通过基液中分散的纳米颗粒提高热导率以及粒子不规则的运动可以增强流体湍流强度。潜热型流体包括相变乳液及相变微胶囊悬浮液、熔融盐等，作为集储能传热功能于一体的新型工质具有良好研究前景，但纳米流体及潜热性流体具有稳定性较差等缺点。复合强化传热是将多种强化方法复合来弥补单一方法的不足，以更高效提高换热效果。

1.1.2国内外研究现状

本次设计的任务是通过对管壳式换热器的流动状态和传热情况进行数值模拟，分析不同流动参数条件下的压降及换热效率。通过此次毕业设计进一步巩固大学期间所学习的流体力学、工程热力学、传热学等一系列专业课程知识。查阅文献，整理资料的过程进一步提升笔者的分析、综合、理解能力。运用计算流体动力学分析软件Fluent进行仿真模拟，提升笔者对于工程软件运用熟练度。

管壳式换热器作为重工行业中最耗能耗材的设备之一,其强化传热技术一直是国内外学者研究的重点。如何提高换热器的传热效率,减少压降,延长其使用寿命,如何指导开发新型换热器,以及如何实现优化设计对实现节能减排目标有着重要意义。本次毕业设计将使用ANSYS Workbench平台,创建单弓形折流板、Y型折流板和T型折流板管壳式换热器的几何模型及有限元模型,利用Fluent流体分析软件对换热器模型进行求解。并且分析换热器在不同流体入口速度下的壳程流体流动状态,对比了三种不同折流板结构换热器壳程流体的压力、温度、速度、Nu以及f等换热性能。通过对数值模拟仿真计算结果的分析，找到管壳式换热器的结构设计缺点从而对其进行优化设计，提高换热效率，这对于管壳式换热器的发展具有十分重要的意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

1. 常传统弓形折流板换热器内流体热传导基本模型研究，重点研究不同入口速度和不同温差条件下换热器流体的流动状态、压力分布和温度分布情况。

2. 对壳程传热强化及阻力特性的研究现状进行总结，分析壳侧流体的流动和换热机理。对已有的折流板管壳式换热器热传导模型进行特性分析，对不同学者提出的经验公式和适用条件进行研究，结合现阶段工程及生产需要，对不同阻力模型进行分类归纳，总结出适用范围广，精确度高，计算相对简单的模型，为进一步仿真模拟打下基础。

   剩余内容已隐藏，您需要先支付后才能查看该篇文章全部内容！

   3. 研究计划与安排

   1) 2019.02.19—2019.03.05 文献查阅与调研时间，撰写文献综述报告和开题报告。

   2) 2019.03.05—2019.03.20 完成外文的翻译工作，对不同流动换热模型分析分类，掌握各类型经验公式推导由来、熟悉参数设置及不同参数变化引起的温度及速度特性变化。

   3) 2019.03.21—2019.04.10 找到合适的边界条件及流动模型，利用fluent建立管壳式换热器流动换热模型，构建计算网格。

   剩余内容已隐藏，您需要先支付后才能查看该篇文章全部内容！

   4. 参考文献（12篇以上）

   [1]林文珠，曹嘉豪，方晓明，张正国.管壳式换热器强化传热研究进展[j].化工进展，2018，37（4）：1276-1286.

   [2]王东，王天昊.管壳式换热器内部流场数值模拟[j].价值工程,2019,4,115-117:1006-4311.

   [3]李晓敏,王立军,王河.管壳式换热器流体与传热模拟分析[j].真空科学与技术学报,2018,38(10):919-923.

   剩余内容已隐藏，您需要先支付 5元 才能查看该篇文章全部内容！立即支付