管壳式换热器流动特性仿真模拟及其结构优化

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）。