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管殼式換熱器作為重要的換熱設(shè)備,在石油化工生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,其換熱性能對這些領(lǐng)域的工藝流程影響較大。對于管殼式換熱器,換熱管直徑相對很小,數(shù)量眾多,容易發(fā)生堵塞和結(jié)垢,而且對換熱管的清洗和更換十分困難,管殼式換熱器管程內(nèi)部的流通介質(zhì)為比較清潔的流體。目前,油田三次采油中大量應(yīng)用新型聚合物,導(dǎo)致管殼式換熱器結(jié)垢明顯增多,造成換熱熱阻增加、換熱性能降低;并且,污垢中腐蝕性介質(zhì)腐蝕金屬管壁,導(dǎo)致其穿孔,即形成管殼式換熱器泄漏、致使物料污染??焖儆行ёR(shí)別管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏故障是縮短維修周期、降低更換換熱管件的基本保障,而管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏的傳熱特性是開發(fā)相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵所在。獲取管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏的傳熱特性,對基于熱工參數(shù)檢測管殼式換熱器的結(jié)垢和泄漏的相關(guān)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。本文以管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏的傳熱特性為研宄目標(biāo),對管殼式換熱器結(jié)垢及泄漏模型、求解方法,管殼式換熱器結(jié)垢及泄漏預(yù)測模型,現(xiàn)場試驗(yàn)方法進(jìn)行了研宄。
一種管殼式換熱器殼程單相流動(dòng)和傳熱的三維模擬方法,用體積多孔度、表面滲透度、分布阻力和分布熱源來考慮殼程復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)造成的流道縮小和流動(dòng)阻力、傳熱效應(yīng),通過數(shù)值求解平均的流體質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程,得到殼程流動(dòng)和換熱的分布。列管冷凝器采用有限體積法計(jì)算模擬流動(dòng)傳熱過程的基本理論和方法,揭示了三葉孔板換熱器殼側(cè)傳熱強(qiáng)化的物理機(jī)制,數(shù)值模擬還表明在本次研究范圍之內(nèi),改變?nèi)~孔板板距對殼側(cè)強(qiáng)化傳熱速率影響不明顯,但對流動(dòng)阻力和綜合性能的影響較大。對上述提到的三維數(shù)值模擬方法也有過類似的研究。 實(shí)驗(yàn)方法研究了空氣在具有3種不同管徑19,25. 32mm的波紋管內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性。管外壁采用電加熱,來模擬均勻熱流條件,測得了不同工況下各種管徑的平均對流換熱系數(shù)和阻力系數(shù),擬合出了所測的參數(shù)范圍內(nèi)的阻力和換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,并比較了相同管徑的波紋管和光管的換熱效果。
對于管殼式換熱器的流動(dòng)傳熱特性,綜合以上,將己有的研究分為三部分:
(1)利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對管殼式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了符合實(shí)際的換熱器流動(dòng)傳熱性能;
(2)通過分析泄漏情況下?lián)Q熱器溫度參數(shù)的變化情況,提出了通過分析換熱器管程和殼程進(jìn)出口溫度變化來判斷換熱器是否泄漏的方法;側(cè)重分析其泄漏時(shí)殼程的流體流動(dòng)的流型。
(3)運(yùn)用熱力學(xué)能耗分析法,分析管殼式換熱器中污垢的厚度對換熱強(qiáng)度、流動(dòng)壓降及其有效能損失的影響。換熱器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使換熱器局部產(chǎn)生了“傳熱死區(qū)”和“流動(dòng)死區(qū)”,這些死區(qū)的存在影響了換熱器內(nèi)自然循環(huán)的形成。 國內(nèi)外己有的研究,缺乏對管殼式換熱器管程流體流動(dòng)傳熱的數(shù)值模擬研究,并且在換熱器的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中,對換熱器當(dāng)前運(yùn)行效果的診斷分析不明確。
管殼式換熱器運(yùn)行過程中的速度矢量分布,在換熱器運(yùn)行過程中,換熱器殼程入口段的速度矢量值在0.4m/s;川頁著折流板走向,換熱器殼程內(nèi)砂的速度矢量值在0.6m/s至2m/s之間變化,在折流板上方的砂速度;在折流板逆向換熱器殼程內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)方向的背部,固體砂的速度矢量值,大約為0. I m/s。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用周期性單元流道模型數(shù)值模擬了旋流片產(chǎn)生的衰減性自旋流的流動(dòng)和傳熱特性,并采用分段綜合因子分析了傳熱強(qiáng)化的機(jī)理。這是由于折流板的阻擋作用,降低了砂的速度。當(dāng)砂粒徑較大更容易在速度降低區(qū)域形成砂沉積,衛(wèi)比砂粒徑0.2m m時(shí)更為明顯。當(dāng)砂粒徑為0.4mm,換熱器運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),管殼式換熱器殼程入u處的含砂率較高,大約在so%左右,殼程整體砂體積變化范圍在5%-20%之間,由于本次分析的砂粒徑較大,為0.4mm,故在殼程折流板根部有少量砂沉積,但沉積區(qū)占整個(gè)殼程的體積分?jǐn)?shù)低于5%。