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The effect of dist ributor configuration on the hydrodynamics of t he teetered bed separator軸流管殼式換熱器殼側(cè)流體進/ 出口分布擋板的理論研究曾文良1 ,2 , 胡顯平1 , 鄧先和1(1. 華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室, 廣東廣州　510640 。2. 衡陽師范學院化學與材料科學系, 湖南衡陽　421001)摘　要:大型、超大型殼程軸流管殼式換熱器殼側(cè)流體的流動分布不均嚴重影響著換熱器的整體傳熱性能,而在殼側(cè)入口和出口位置安裝流體分布擋板是解決這一問題的方法之一. 文中從流體分布擋板的影響參數(shù)入手,從理論上推導了擋板的開孔率與各種結構參數(shù)之間的數(shù)學模型,并且推導出優(yōu)化的擋板設計參數(shù)方程,為殼側(cè)流體的實驗研究與數(shù)值研究提供了參考與方向.關鍵詞:管殼式換熱器。 軸向流。 流體分布。 結構優(yōu)化。 理論模型中圖分類號: TQ051. 5 　　　　文獻標識碼:A0 介紹 由于這些優(yōu)勢，降低殼程，大對數(shù)平均溫差（數(shù)平均溫差）壓力下降，消除了傳熱管的振動，更好的整體傳熱性能，軸向流管殼式換熱器與部分擋板殼式換熱器相比在各種工業(yè)生產(chǎn)中變得更加受歡迎。隨著工業(yè)生產(chǎn)設備的規(guī)模變得越來越大，換熱器作為一種工業(yè)生產(chǎn)通用設備，還需要滿足工業(yè)生產(chǎn)過程的要求，以及換熱器傳熱能力越來越大。由于對殼管式換熱器管的長度是由加工工藝條件決定，有必要擴大殼端直徑，以擴大傳熱能力。隨著換熱器的直徑的增大和長徑比的減?。↙/D），殼程流體流動分布不均變得更難以控制和殼層的壓力降增長的更快，這不僅降低了換熱器整體傳熱性能，而且也引起了傳熱管的振動。這些都是被ZHOU Senquan ，Chiou J . P ，Ulrich Mohr and Hor st Gelbe證明的。為了使流體流動同源分布，S. S. Mousavi , K. Hooman and L. Maharaj , J . Pocock , B. 。但沒有任何有關軸流管殼式換熱器流體流動分布的報告，特別是大規(guī)模和超大規(guī)模換熱器。設置流體流動分布器有優(yōu)點也有缺點。一方面殼層流體流動分布不均可以迅速好轉(zhuǎn)，另一方面殼層壓降在同時可迅速提高。所以發(fā)展流體流動殼式換熱器管區(qū)理論，數(shù)值和實驗研究是非常重要的。這項研究計劃的目的是優(yōu)化換熱器結構參數(shù)，以提高殼程流體流動分布的不均勻性，根本上減少殼層壓降以及分別提高了理論，數(shù)值和實驗研究方法，整體傳熱性能。在這篇文章中，將介紹各種換熱器結構參數(shù)的優(yōu)化數(shù)學模型的理論方法。 1 物理模型 整體殼程結構圖和流體的殼管式換熱器機智和軸流流分配器位置如圖1（a）所示。圖1(b) 是殼側(cè)流分銷結構圖。事實上，流體分配器結構很容易理解的，從圖1（b）上看，是一個指定的穿滿許多小孔的穿孔板。該理論研究的目的是要找到一個數(shù)學模型，帶出了最佳的分布比例作為換熱器參數(shù)的函數(shù)。流體流動的影響殼區(qū)主要表現(xiàn)為以下方面：（1）沖壓比分配器。（2）交叉管行。（3）安排式管。（4）管間距。（5）管外徑。 管殼殼端配置與軸流式換熱器示意圖1為了表達研究的物理模型更簡潔，當我們考慮到部分單位和其進口和出口唯一時，我們把它看作一個矩形熱處理軸流換熱器。該換熱器管子是36毫米規(guī)格，尺寸為φ25 mm 2. 5 mm 1 000 mm。該換熱器外觀尺寸是維立方體360毫米 120毫米 1 000毫米。該換熱器高程圖2（a）所示，布置風格和管參數(shù)如圖2（b）所示。2 數(shù)學模型為了找到了理論方法，數(shù)學模型理論分析模型，必須首先建立如圖（3）所示。以下假設的建模和光照是通過進口和分配器區(qū)域流體流動必要的。（1）許多小孔是分布在流體擋板上，小孔直徑是微不足道的。（2）分布式擋板打孔比率是一個連續(xù)x函數(shù)。（3）在x方向流體流量，如圖所示3所示。（4）流體流速通過均勻分布擋板?；谏鲜黾僭O和下一步的分析，可以很容易地分別推導出x方向的速度分布和壓力降的x方向，z方向和xz方向。質(zhì)量平衡方程的無窮小如圖4所示 ，差分方程的X方向的方程式： （1） 用和分別表示X坐標和Z坐標，有 （2）邊界條件是：x = X 和 u( x) = 0，所以方程式（2）用積分可表示為： （3） （4） X坐標的壓力降無窮小面積的能量平衡方程，如圖4所示。它差分方程x方向的壓力降，可表示為： （5）殼側(cè)的水力直徑，邊界條件是x = 0和Δp ( x) = 0，所以他的積分方程式（5）可以表示為： （6） （7） XZ方向的壓力降據(jù)當?shù)亓髁糠植己土鲃拥牧黧w壓力降，由x方向轉(zhuǎn)到z方向，我們可以得到如下方程的局部壓力降： （8） Z坐標的壓力降據(jù)當?shù)氐牧黧w壓降通用公式，我們可以得到它的流體通過的小型分流器擋板孔當?shù)貕航捣匠淘趜方向如下： （9） 同質(zhì)分配公式眾所周知的是，同源流體通過分流器可以通過機械擋板能量平衡方程推導出進口交叉出口段的流量分布情況?；就|(zhì)分配公式如下所示： （10） 分析和解決方案聯(lián)合（7），（8），（9）和（10）式，它會得到如下方程： （11）當x = X，可以推斷壓降的邊界條件：，和把壓降下x = X代入方程（10），那么我們可以得出以下方程： （12）聯(lián)系方程式（11）和方程式（12），并簡化表達，那么可以得出以下方程： （13）在理想的模型，優(yōu)化沖壓比可表示如下： （14） 3 數(shù)學模型在一平方米上的管束對于管殼式換熱器的殼側(cè)的內(nèi)插管束，我們定義為管束管間距，d為外徑和為安裝距離。因此殼下側(cè)管排線，方形排列，可表示為：,，并把它們代入方程式（4），則x方向的速度可以表示為： （15）根據(jù)方程式（7），（8），（9），壓降的x方向，xz方向和z方向在內(nèi)插管束對齊殼側(cè)方向的條件也可以分別寫成方程式（16），（17）和（18）： （16） 其中表示當?shù)貕航翟诠苁€一方對齊的管系數(shù) （17） （18）把（16）（17）（18）式代入方程（10）式，可簡化得到： （19）當 x = X 時，可以推導出如下的邊界條件壓降：, and 將他們代入方程（10）可得到下式： （20）聯(lián)合方程式（19）和方程式（20），簡化表達，可以推斷公式如下： （21）根據(jù)該對齊殼的管殼式換熱器管束方，最佳流體的分配比例，進口或出口區(qū)域可表示如下： （22） 從方程（15）式到方程（21）， （23） （24）定義，表示管內(nèi)管直徑與管間距之比，把它和方程式（23）（24）代入方程式（22），可得妻方程如下： （25）從方程式（25）看出，它已被證明是最佳的流體分配沖壓比，有關的很多因素可劃分為兩個方面。一個方面是熱殼側(cè)換熱器結構參數(shù)，如外管直徑，管間距，管的排列，分流結構切割長度，管安排的風格。另一個方面是操作特性，如雷諾數(shù)可兌換當?shù)貕航迪禂?shù)。雖然殼側(cè)流體流動同源分布的數(shù)學模型已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以及模型顯示了最佳的比例關系，以沖壓換熱器結構參數(shù)和運行特點，但它的正確性，需要通過數(shù)值和實驗方法驗證。調(diào)查將會分別用數(shù)值和實驗方法繼續(xù)進行。4 總結 通過建立數(shù)學模型和上述分析，可以得出結論如下：（1）對于管束對齊殼側(cè)，流體流動的主要因素是外管直徑，管間距，管束排列，分流結構切割長度，管安排風格 （2）根據(jù)方程式（25），可以很容易地設計一個最佳的流體流動分布。 （3）殼程壓力降的液體以交叉立方體的方式流出，為了減少壓力殼側(cè)流體下降必須減少交叉的行流。參考文獻【1】GB1511989《鋼制管殼式換熱器》 北京 學苑出版社 1999【2】GB1501998 《鋼制壓力容器》 北京 國家技術監(jiān)督局 1998【3】王志魁 《化工原理（第二版）》 北京 化學工業(yè)出版社 1998 【4】馬連湘等《化工設備算圖手冊》 北京 化學工業(yè)出版社 2003【5】鄭津洋等 《過程設備設計（第二版）》 北京 化學工業(yè)出版社 2001【6】 秦書經(jīng)等 《化工設備設計全書—換熱器》 北京 化學工業(yè)出版社 2003【7】中華人民共和國行業(yè)標準 《容器支座》 北京 化學工業(yè)出版社 1993【8】GB7132008《鍋爐和壓力容器用鋼板》 中國標準出版社 2008【9】賀匡國 《化工容器及設備簡明設計手冊》北京 化學工業(yè)出版社 2002【10】潘永亮 《化工設備機械基礎（第二版）》北京 科學出版社2003【12】王寬福 等《焊接與化機焊接結構》浙江 浙江大學出版社 1992【13】全國化工設備設計中心站《標準零部件》【14】蔡紀寧等《化工設備機械基礎課程設計指導書》 北京 化學工業(yè)出版社 2000致謝辭時間飛逝，即將畢業(yè)的我們，為了給我們的大學生涯畫上一個完滿的句號，經(jīng)過幾個月的時間，終于把這次畢業(yè)設計完成了。通過這次畢業(yè)設計，使我不但鞏固了本專業(yè)所學的知識，加強了動手能力，同時也明白了“書到用時方恨少的道理”，感受頗深。完成此設計不僅要有基本的設計繪圖能力（包括手工繪制與電腦繪制）以及相應的材料力學、理論力學理論；還應會查閱相關的各種機械設計手冊，熟悉GB1501998《鋼制壓力容器》、 GB1511998《管殼式換熱器》、《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)定》、HG205801998等現(xiàn)行國家法規(guī)標準規(guī)范。當然同時需要指導老師的悉心指導，更需要有認真負責，一絲不茍的研究態(tài)度。必要時還需了解Dg1400氧化器的基本的結構，和工作原理。這次設計讓我系統(tǒng)地鞏固了壓力容器、換熱器等化工設備的設計和工藝計算，并提高了查閱相關資料的能力，將是以后學習生涯中的寶貴財富。 在此，非常感謝卿德藩老師對本人耐心的指導，感謝馮曉康、李啟成、段小林，鄒家柱等老師給予支持和幫助，同時感謝給予鼓勵和支持的同學。由于時間有點倉促，加上本人所學的知識有限，在設計中遇到很多難題，同時設計也存在很多缺點和不足，愿各位老師幫忙指導。非常感謝！ 致謝人：何芳芳 2011年5月于南華大學第64頁 共62頁