[摘 要]本文提出了一种管壳式换热器壳程的多相流在线清洗技术，给企业管壳式换热器壳程污垢清洗难的问题提供了一种新的方法。在进行实验前，用FLUENT软件对流体在管壳式换热器壳程的情况进行了模拟，以了解壳程内的流动情况及流动速度，为实验奠定了基础。
[关键词]管壳式换热器 多相流FLUENT
传热面污垢会引起换热器的传热效率大幅度下降，传热管内污垢在线自动清洗技术比较多,有自转钢丝螺旋线、自转塑料扭带、自转螺旋齿管、电厂冷凝器胶球、自转塑料齿带、循环流态化等等,技术也比较成熟,并且工业应用的综合效益也比较大。但是，换热器壳程清洗的研究者不多，管壳式换热器壳程的污垢在线清洗技术的研究者更少。
本文提出了一种管壳式换热器壳程的污垢多相流在线清洗技术，并借助FLUENT软件对多相流在管壳式换热器壳程的流动清洗情况进行了数值模拟。以此来验证此多相流清洗在管壳式换热器壳程上应用的可行性。
一、 壳程多相流在线清洗实验装置
管壳式换热器多相流清洗装置系统示意图如图1所示。该装置利用磁力驱动泵对液体作功；射流器的作用将液体与固体混合形成固液两相流，并使混合后的流体以一定的速度流进换热器; 水槽的最主要功能是保证固体颗粒的均匀流态化,同时回收固液流体, 并兼作磁力驱动泵的泵槽。
图1 管壳式换热器多相流清洗装置系统示意图
二、多相流清洗技术的基本原理及清洗磨料的选择
多相流是指两相或两相以上不相溶（或具有相界面）物质的混合体。
当管间流速达到一定值时, 水流将产生强烈的弥散涡流,对管壁具有较强的冲刷效应, 通过射流器将一定粒度范围的固体颗粒按适量的配比置入清洗水流后, 固体颗粒借助水流的载带及涡流效应可与水充分地进行掺混, 实现均匀流态化。显然, 这种液固两相流由于固体颗粒可与水充分地进行掺混, 其速度松弛的时间较长, 因此, 固体颗粒具有较高的动能。当这种液固两相流连续不断地循环流经管壳式换热器管间环隙时, 均匀流态化的固体颗粒随机而频繁地碰撞、擦刮管子的表面污垢,对污垢施加强烈的冲刷、磨削和破碎等物理作用, 从而达到除垢清洗的目的。
在以往用于多相流清洗的固相多为河砂和刚玉，本项研究中采用了自制的发泡橡胶钢丝球，其特点为质轻，能悬浮于水中，并且合金钢丝坚硬锐利，对金属的表面污垢能够很好的磨削。
三、FLUENT数值模拟
为了在实验前能够对多相流在管壳式换热器壳程内的流动情况，以及流体在壳程内所能达到的速度有所了解，因此利用FLUENT软件对多相流在管壳式换热器壳程内的流动情况进行了模拟，为实验奠定了基础。
几何模型采用实验时所用模型为普通管壳式换热器, 单管程、单壳程和弓形折流板, 其结构简图如图2所示,换热器的几何参数为壳体长为500mm内径为190mm，19根管径20mm的正三角形排列，管间距为35mm, 弓形折流板4块。
图2 管壳式换热器的结构简图
1.模型的建立及网格划分
弓形折流板换热器的内部是相互交错的三维复杂几何体,因此采用分块划分的方法将壳程区域进行分割,然后分别对分割后的子块进行非结构化网格划分,这里采用的是四面体网格和金字塔网格。另外,在对换热器进行结构模拟建模时,考虑了换热器入口和出口部分对于换热器整体流动特性的影响。
2.计算求解设置
因湍流效应对流动与传热有一定的影响故采用k-ε二方程模型。采用分离变量法(Segregated) 隐式( Implicit) 求解,保证收敛的稳定性;压力和速度解耦采用SIMPLE 算法;动量、能量，以及湍流参量的求解采用二阶迎风格式(Second Order Upwind) ;计算流体进口采用速度入口条件,给定流体流速为6m/s、温度及相应的湍流条件;出口采用自由出口边界条件(outflow) ;壳体壁面采用不可渗透、无滑移绝热边界,并给定换热管壁面温度;稳态不可压缩求解。多相流设为水和发泡橡胶钢丝球，由于含固量低且固相颗粒质轻，所以壳程介质只设为水。
3.计算结果及分析
由图3可以看出,流体的轴向流动由于受到折流板的阻挡而呈现整体的“Z”型流动, 由图4、图5可以看出，流体流经折流板时流速发生剧烈变化,其中在流通截面突变的圆缺处形成高速流动区,而在折流板背面则形成回流滞流区。在进出口区域, 流体流速有较大的变化。
由图3可看出流体在壳程的流速为0.479m/s,由于固相采用的是自制的发泡橡胶钢丝球，可以悬浮于水中，因而液体流速足以带动固相颗粒实现清洗，如果选用沙子，其自由沉降速度为0.243m/s，壳程流速大于其沉降速度，因此足以能够带动沙子实现清洗。但是，由于在折流板附近存在一个流速较低的区域，在此区域清洗情况会稍差，这样可能造成清洗不均匀。
4.三相流清洗及模拟
采用两相流可以实现壳程清洗，但可能造成清洗不均匀，所以，可尝试加入气体实现三相流清洗，来改善由于滞流区的存在而造成的清洗不均匀的情况。如图8所示，在换热器底部加两根喷气管。在清洗气流的喷射下，气泡向上浮生运动时，形成气、液、固三相流态化横过管子流动。喷气管上的喷气孔为两排向上其夹角为120°，开孔方向为水流向下区域孔斜向折流扳背面，水流向上区域孔口方向垂直于管束。
图8 换热器横截面喷气管位置示意图
FLUENT模拟改进后的几何模型是在改进前的几何模型基础上加入了喷气管，划分网格方法同上。在计算求解时又选用了混合模型，喷气管进口采用速度入口条件,给定流体流速为18m/s。
由图4、图5与图10、图11比较可以看出，折流板背面则形成回流滞流区问题已解决，壳程90%速度可达到2.61～5.19m/s之间，壳程内整体流速提高很多，这样清洗速度也会有所提高。比较图6、图7和图12、图13也可看出，两相流时在折流板圆缺处流速比其他部分高，造成清洗不均匀，而三相流整个横截面各个管子周围流速相差不大，基本可实现均匀清洗。
四、 结论
本文提出了一种管壳式换热器壳程的多相流在线清洗技术，给企业管壳式换热器壳程污垢清洗难的问题提供了一种新的方法。在进行实验前，用FLUENT软件对流体在管壳式换热器壳程的情况进行了模拟，证明流体流速足以带动固相颗粒实现清洗。两相流时由于在折流板附近存在一个流速较低的区域，在此区域清洗情况会稍差，这样可能造成清洗不均匀，用三相流可解决折流板背面则形成回流滞流区问题，还可使整体流速提高，缩短清洗时间。
参考文献：
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[3]王福军. 计算流体动力学分析. 北京:清华大学出版社,2004:113-116
[4]韩占忠,王敬,兰小平. FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用. 北京:北京理工大学出社,2004,201-249
(作者简介：康铁鑫（1979-），男，汉族，辽宁沈阳人，助理工程师，硕士研究 生，主要从事化工过程机械相关领域的研究。)
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