U型管式換熱器進(jìn)口截面流場(chǎng)數(shù)值模擬

孫曉盟，王洪志，林國(guó)慶，曲國(guó)平，郝 明，時(shí) 黛

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U型管式換熱器進(jìn)口截面流場(chǎng)數(shù)值模擬

孫曉盟1，王洪志2，林國(guó)慶3*，曲國(guó)平1，郝 明4，時(shí) 黛5

（1.長(zhǎng)春特種設(shè)備檢測(cè)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130011；2.中國(guó)石油管道公司沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000 ；3.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；4.北方華錦化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 盤(pán)錦 124000；5. 內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

建立了U型管式換熱器進(jìn)口截面的三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，求得了U型管式換熱器內(nèi)部的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布；在此基礎(chǔ)上對(duì)U型管式換熱器內(nèi)部的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了討論。研究結(jié)果表明，一方面，增大U型管式換熱器進(jìn)口熱流體速度，可以增加U型管式換熱器的換熱量，增大出口截面的速度，增大內(nèi)部壓強(qiáng)，提高內(nèi)部溫度；另一方面，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，U型管式換熱器內(nèi)部溫度越低、出口截面速度越大，總傳熱率越低，壓力損失先減小后趨于穩(wěn)定；同時(shí)，離U型管換熱器越近的外導(dǎo)流筒沖刷腐蝕越嚴(yán)重。

U型管換熱器；溫度場(chǎng)；速度場(chǎng)；Fluent

管殼式換熱器在泵站、煉油廠等化工生產(chǎn)中被廣泛使用，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造較容易，處理能力大，適應(yīng)性能，操作彈性較大，尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍[1]。U型管換熱器是一種典型的管殼式換熱器，其管子彎成U形，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)比其他換熱器便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不宜采用浮頭式和固定管板式場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料[2]?；趂luent軟件在管殼式換熱器中具有一定的可行性[3,4]，而且U型管換熱器在fluent數(shù)值模擬方面研究較少，本文建立了U型管換熱器的模型，研究了U型管換熱器進(jìn)口截面溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)之間的關(guān)系，通過(guò)熱流體溫度與速度數(shù)值方面的不同，用來(lái)在U型管換熱器設(shè)備腐蝕方面提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型建立及求解

1.1 基本假設(shè)

圖1 U型管換熱器模型

建立了U型管換熱器進(jìn)口截面模型，采用前處理軟件GAMBIT進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，采用FLUENT進(jìn)行數(shù)學(xué)模型求解計(jì)算，計(jì)算結(jié)果采用TECPLOT軟件把數(shù)值模擬得到的結(jié)果進(jìn)行圖像擬合。U型管換熱器通過(guò)進(jìn)口熱流進(jìn)料，通過(guò)與U型管中冷流換熱以達(dá)到降低溫度的目的。在GAMBIT建立的U型管換熱器如圖1所示。

U型管換熱器中的熱流體與冷流體在進(jìn)口端主要呈垂直交叉流動(dòng)，熱流體的流動(dòng)狀況主要受到污垢、換熱管排管根數(shù)結(jié)構(gòu)、換熱管溫度等得影響，本文對(duì)U型管換熱器熱流體做如下假設(shè)：

（1）不考慮熱流體密度體積變化，將熱流體視為不可壓縮流體；

（2）非定常流動(dòng)；

（3）U型換熱管中冷流體視為恒溫；

（4）不考慮冷流體流動(dòng)；

（5）不考慮污垢系數(shù)影響。

1.2 控制方程

連續(xù)方程[5]：

質(zhì)量守恒方程：

能量方程：

初始條件

式中：u、u、u—、、三個(gè)方向的速度分量,m/s;

—垂直方向的體積力，即重力，考慮是不可壓縮流體， 所以為常數(shù);

—時(shí)間,s。

1.3 網(wǎng)格劃分與計(jì)算方法

運(yùn)用GAMBIT對(duì)U型管換熱器進(jìn)口截面進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分方法為六面體網(wǎng)格。U型管換熱器殼體直徑為1 300 mm，進(jìn)口直徑為650 mm，進(jìn)口頂部與殼體距離為150 mm，U型管換熱管直徑為20 mm，管間距為32 mm，U形換熱管根數(shù)為564根，外倒流筒數(shù)共41個(gè)，由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，換熱管數(shù)和外倒流筒數(shù)各取一半。截面寬700 mm。U型管材質(zhì)為10#鋼，熱流體為HF，密度為0.881 4 kg/m3，熱導(dǎo)率為0.045 4 W/(m·K)，動(dòng)力粘度為1.72×10-5 kg/(m·s)，溫度為313K；冷流體為水，溫度為307 K；殼體材質(zhì)為10#鋼，密度為7.86×103 kg/m3，熱導(dǎo)率為44.2 W/(m·K)，比熱容477 J/(kg·K)；環(huán)境壓強(qiáng)為101 325 Pa，重力加速度為9.8 m/s2，環(huán)境溫度為288 K。劃分網(wǎng)格如圖2所示，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量約為2.41×106個(gè)，采用SIMPLE算法。連續(xù)方程和能量方程收斂判據(jù)殘差分別為10-3和10-6。在計(jì)算機(jī)配置處理器為Inter(R) Core(TM)2 Duo CPU 2.20 GHz、主板Lenovo和內(nèi)存2 GB。

圖2 U型管換熱器的三維網(wǎng)格模型

1.4 邊界條件

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 速度場(chǎng)分布

從圖3(a) U型管換熱器進(jìn)口截面速度矢量圖中可以看出，由于受到重力的影響，HF在流經(jīng)最上部外導(dǎo)流筒分流流量最大并且流量隨著高度的降低依次遞減，達(dá)到U型管換熱器最下端的外導(dǎo)流筒分流出的HF流量越少。由于HF的腐蝕因素與其濃度、溫度以及HF流量有關(guān)[6, 7]，因此，U型管換熱器上部外導(dǎo)流筒進(jìn)口附近所受腐蝕與其他區(qū)域相比較為嚴(yán)重，受損的幾率大大增加。

圖3(b)為通過(guò)計(jì)算后得到的U型管換熱器截面出口處的速度平均值與時(shí)間的曲線。由于出口截面的直徑增大，與進(jìn)口速度相比，出口截面的速度要小很多。隨著時(shí)間的增加，出口截面速度隨之增大。同時(shí)，進(jìn)口初始速度越大，出口截面的速度也越大。

2.2 溫度場(chǎng)分布

從圖4中可以看出，從U型管換熱器[8]上部到下部，溫度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)并且有一定的溫度梯度，這是因?yàn)橥鈱?dǎo)流筒位置分布的不同而造成的結(jié)果。隨著速度的增大，低溫區(qū)域逐漸減小，高溫區(qū)域不斷擴(kuò)大。這說(shuō)明U型管換熱器進(jìn)口速度越大，U型管表面溫度越高。

圖4 U型管換熱器運(yùn)行3 h對(duì)稱(chēng)面溫度分布

從圖5中分析，U型管換熱器殼程上部中心區(qū)域溫度最低，溫度約為309 K。這是因?yàn)镠F在U型管換熱器分流過(guò)程中流經(jīng)U型管換熱器殼程上部中心區(qū)域的流量較少，這減少了HF與U型管的直接接觸，換熱效果較其他區(qū)域較差。因此，U型管換熱器上部中心區(qū)域的溫度最低。隨著U型管換熱器進(jìn)口速度的增大，U型管換熱器截面出口等溫線向著U型管換熱器殼程上部中心移動(dòng)，309 K的區(qū)域逐漸減小，311.5 K的區(qū)域增大較為明顯，這說(shuō)明熱流體HF的流量增加，會(huì)導(dǎo)致U型管換熱器內(nèi)部溫度的上升。

2.3 壓力場(chǎng)分布

從圖6中可以看出，U型管換熱器進(jìn)口速度的增加，U型管換熱器內(nèi)部的壓強(qiáng)越大。在U型管換熱器內(nèi)部壓強(qiáng)區(qū)域從下到上逐漸降低，這是因?yàn)樵赨型管換熱器對(duì)稱(chēng)面區(qū)域，由于U型管換熱器對(duì)稱(chēng)面殼體下部存在外導(dǎo)流筒。從外導(dǎo)流筒分流出的HF量對(duì)U型管換熱器中心對(duì)稱(chēng)區(qū)域起著增大U型管換熱器內(nèi)部壓強(qiáng)的作用。由于重力的作用，HF流向U型管換熱器上部區(qū)域的流量逐漸減少，U型管換熱器內(nèi)部壓強(qiáng)也隨之降低。

圖5 U型管換熱器運(yùn)行3 h出口截面溫度分布

圖6 U型管換熱器運(yùn)行3h對(duì)稱(chēng)面壓力分布

從圖7中分析，主要壓強(qiáng)分布與圖6一致，但是在U型管換熱器殼程上部存在著一定的負(fù)壓區(qū)域，其進(jìn)口速度越大，該區(qū)域的壓強(qiáng)越小。

圖7 U型管換熱器運(yùn)行3 h截面出口壓強(qiáng)分布

2.4 流場(chǎng)關(guān)系

從圖8(a) U型管換熱器壓力損失隨時(shí)間的關(guān)系曲線中分析可知，U型管換熱器進(jìn)口速度越大，壓力損失也就越大。U型管換熱器剛啟動(dòng)不久，壓力損失最大。在運(yùn)行到0.5~1.5 h區(qū)間內(nèi)，換熱器內(nèi)部壓力損失急劇降低。在運(yùn)行到1.5 h之后，壓力損失趨于穩(wěn)定。

圖8 U型管換熱器壓力損失、出口總傳熱率及平均溫度隨時(shí)間的關(guān)系曲線

從圖8(b) U型管換熱器出口總傳熱率隨時(shí)間的關(guān)系曲線中可知，U型管換熱器進(jìn)口速度越大，總傳熱量越大。隨著U型管換熱器運(yùn)行時(shí)間的增加，總傳熱量隨之降低，但降低的幅度不大。從圖8(c) U型管換熱器出口平均溫度隨時(shí)間的關(guān)系曲線可知，U型管換熱器進(jìn)口速度越小，出口截面的溫度也就越小。在運(yùn)行1~1.5 h和2.5~3 h區(qū)間內(nèi)，溫度降低較快。在運(yùn)行3 h之內(nèi)，溫度降幅維持在0.6 K以?xún)?nèi)。

3 結(jié)論

（1）對(duì)U型管換熱器進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，提高U型管換熱器進(jìn)口速度，出口截面速度越大，內(nèi)部壓強(qiáng)越大，U型管換熱器內(nèi)部溫度將上升，對(duì)換熱器的換熱效果起到一定的積極作用。

（2）U型管換熱器進(jìn)口速度越大，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，總傳熱率越低，出口截面溫度越低，出口截面速度越大，壓力損失先減小后趨于穩(wěn)定。

（3）外導(dǎo)流筒離U型管換熱器進(jìn)口處越近，所受的沖刷腐蝕越嚴(yán)重。

［1］王志魁, 化工原理(第三版)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社， 2004-10: 187.

［2］王爭(zhēng)昪, 王學(xué)生, 戰(zhàn)洪仁, 等. 淺談U型管換熱器[J]. 廣東化工, 2009, 36(10):172-188.

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Numerical Simulation of U- tube Heat Exchanger Inlet Section Flow Field

1,2,3,1,4,5

（1.Changchun Special Equipment Inspection and Research Institute, Jilin Changchun 130011, China; 2.Shenyang Longchang pipeline inspection center, Liaoning Shenyang 110000,China; 3. School of Mechanical and Electrical Engineering ,Jllin Institute of Chemical Technology,Jilin Jilin132022, China; 4.North Huajin Chemical Industries Group Corporation, Liaoning Panjin 124000, China; 5. College of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University for the nationalities, Inner Mongolia Tongliao 028000, China）

The three-dimensional steady flow mathematical model about inlet section of U tube type heat exchanger was established, and then the pressure field distribution, temperature field distribution and velocity field distribution of the U type heat exchanger were obtained by the model.Based on this, the pressure field, temperature field and velocity field of the U type heat exchanger were discussed. The results show that, increasing inlet velocity of hot fluid in the U type heat exchanger, for one thing ,can increase heat exchange; for another, the longer the running time, the lower the internal temperature of the heat exchanger,the higher the outlet velocity, the lower the total heat transfer rate, the pressure loss first decreases and then tends to stability; corrosion erosion effect in all regions of U type heat exchanger is enhanced, especially the area between the U type heat exchanger inlet and the casing wall.

U-tube heat exchange；Temperature field；Velocity field；Fluent

TQ 051.7

A

1671-0460（2014）06-1117-04

2013-11-02

孫曉盟（1985-），男，吉林長(zhǎng)春人，助理工程師，2009年畢業(yè)于吉林化工學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備安全評(píng)定技術(shù)：從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作。E-mail：15943090361@139.com。

林國(guó)慶（1986-），男，助教，碩士研究生學(xué)歷，研究方向?yàn)檫^(guò)程裝備安全評(píng)定技術(shù)及能源工程。E-mail：lgq0726@126.com。