結(jié)垢對管殼式換熱器流動換熱影響研究

吳國忠，林 林，楊顯志，齊晗兵，李 棟

（1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 遼河油田公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124000）

結(jié)垢對管殼式換熱器流動換熱影響研究

吳國忠1，林 林1，楊顯志2，齊晗兵1，李 棟1

（1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 遼河油田公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124000）

針對管殼式換熱器結(jié)垢中涉及到的傳熱問題，建立了管殼式換熱器三維的簡化數(shù)理模型，采用有限體積法結(jié)合壁面函數(shù)法對管殼式換熱器內(nèi)流動傳熱過程進行數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，污垢量對管殼式換熱器內(nèi)流動傳熱過程影響較大，結(jié)垢量增加，結(jié)垢側(cè)進出口壓降增加，換熱性能降低。

管殼式換熱器；結(jié)垢；流動傳熱；數(shù)值模擬

換熱器是油田化工和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，其中管殼式換熱器在石油化工行業(yè)中應(yīng)用尤為廣泛。大慶油田擁有大量的管殼式換熱器，其性能直接影響原油的處理過程和油田節(jié)能減排的落實程度，而隨著原油含水率增加，換熱器結(jié)垢率明顯增高，易造成其壁面的結(jié)垢甚至堵塞，并且由于污垢會對換熱器材料腐蝕，容易導(dǎo)致壁面穿孔造成物料泄漏和損失，甚至產(chǎn)生爆炸隱患。為消除換熱器結(jié)垢和泄漏造成的損失，油田管理部門每年都對換熱器進行清洗、堵漏作業(yè)，但目前尚無有效手段快速地評價換熱器的結(jié)垢和泄漏情況，導(dǎo)致需要針對每一臺換熱器進行處理，造成管理成本的增加。而管殼式換熱器的流動傳熱特性是評價其結(jié)垢、泄漏的關(guān)鍵，也是進行有效預(yù)測的前提條件。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對其流動傳熱進行了大量的研究。PatanLkar 和 Spalding 教授[1]早在上世紀七十年代就提出采用多孔介質(zhì)模型 (Porous Media Method)進行換熱器簡化數(shù)值模擬的研究思想：將殼程各種固體構(gòu)件如管束、折流板等當(dāng)作多孔介質(zhì)處理，以體積多孔度表示整個區(qū)域內(nèi)固體結(jié)構(gòu)所占比例。上海交通大學(xué)的黃興華[2，3]也提出了一種管殼式換熱器殼程單相流動和傳熱的三維模擬方法。2007 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的錢劍峰[4]等人運用熱力學(xué)能耗分析法，分析了管殼式換熱器中污垢的厚度對換熱強度、流動壓降及其有效能損失的影響，并且通過工程實例，指出了中等流速對系統(tǒng)節(jié)能和經(jīng)濟性都有利。管殼式換熱器成本較高，其熱工性能決定著后期運行成本。由于管殼式換熱器的殼程幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動和傳熱的影響因素很多， 流動形態(tài)也很復(fù)雜，因而數(shù)值研究方法無疑為經(jīng)濟、安全地設(shè)計、評價和改造換熱器提供了一種強有力的手段。

本文采用管殼式換熱器的一部分模型對其結(jié)垢情況下的傳熱性能進行數(shù)值模擬。

1 數(shù)值計算模型

1.1 幾何模型

對于常規(guī)的管殼式換熱器是多個管程并聯(lián)，但是對計算機的要求很高，很難對其進行網(wǎng)格劃分，故本文取并聯(lián)的多個管程換熱器其中的一根換熱管進行高、低溫流體的換熱過程模擬。

如圖 1、2 所示，本模型由直徑為 D1=20 mm 的內(nèi)管和直徑為 D2=40 mm 的外管組成，長度 L=4 m。

圖 1 幾何模型Fig.1 Geometrical model

1.2 控制方程及邊界條件

為了簡化問題，幾何模型基于以下假設(shè)：

（1）流體為不可壓縮流體；

（2）忽略重力、浮升力的影響；

（3）除進出口外，折流板、殼體與外界均無質(zhì)和熱的交換。

數(shù)值模擬時，采用通用控制方程

當(dāng)通用變量 變化時，式（1）既可以表示連續(xù)性方程、動量方程，又可以表示能量方程和 k-ε。另外，選用 RNG k-ε模型可以提高換熱器內(nèi)部復(fù)雜流動的計算精度。

設(shè)置外管入口的邊界條件為物質(zhì)的質(zhì)量流量，溫度為 313 K；出口的邊界條件為壓力出口，表壓力為 0 Pa；內(nèi)管入口的邊界條件為速度入口，溫度為 353 K；出口的邊界條件為壓力出口，表壓力為 0 Pa；換熱管外表面的邊界條件為對流換熱與溫度的耦合函數(shù)。采用平均殘差判斷方程的收斂性，殘差絕對值小于 10-6。

本文采用FLUENT 數(shù)值計算軟件進行求解，利用二階迎風(fēng)格式格式離散偏微分方程組，壓力速度耦合使用 Simple 算法，在湍流中采用非平衡的壁面函數(shù)法，該方法在近壁處的速度分布中引入了壓力梯度的影響，對于換熱器內(nèi)流動介質(zhì)選擇常物性條件。

2 計算結(jié)果及分析

對油油管殼式換熱器，考慮換熱器中油介質(zhì)溫度在 40～80 ℃范圍內(nèi)，采用數(shù)值模擬方法來分析結(jié)垢對換熱器流動傳熱性能的影響情況。

模擬條件：取油油管殼式換熱器的部分為模型，管 程 換 熱 管 直 徑 D1=0.02 m ， 殼 程 換 熱 管 直 徑D2=0.04 m。換熱器套管的導(dǎo)熱系數(shù)為 48 W/(m·K)，密度為 8 030 kg/m3，比熱容為 502.48 J/(kg·K)；污垢的導(dǎo)熱系數(shù)為 16 W/(m·K)，密度為 700 kg/m3，比熱容為 1 000 J/(kg·K)；換熱器外設(shè)置 0.01 m 厚的保溫層，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.032 W/(m·K)，密度為 300 kg/m3，比熱容為 900 J/(kg·K)。

本文對以下幾種結(jié)垢情況進行數(shù)值模擬，邊界條件設(shè)置如下表1所示。

表 1 數(shù)值模擬邊界條件Table 1 Numerical boundary conditions

2.1 換熱管殼程側(cè)均勻結(jié)垢

分析只在換熱管的外側(cè)結(jié)垢均勻結(jié)垢時換熱 器的流動傳熱性能。

圖 2 殼程側(cè)結(jié)垢的傳熱阻力性能Fig.2 Heat transfer resistance properties of shell side scaling

模擬結(jié)果如圖 2（a）、（b）、（c），由圖 2（a）可以得到，傳熱系數(shù)k隨著結(jié)垢量的增加呈現(xiàn)V字型的變化趨勢，即隨著結(jié)垢量的增加，傳熱系數(shù)先減小后又增大。

傳熱系數(shù)分別與管程對流熱阻、殼程對流熱阻和導(dǎo)熱熱阻有關(guān)。由于換熱管外側(cè)污垢的存在，增加了污垢的導(dǎo)熱熱阻，傳熱系數(shù)減小；結(jié)垢量增加，殼程流體的流通截面積減小，流體流速增加，殼程對流熱阻減小，因此，當(dāng)換熱器結(jié)垢時，首先殼程對流熱阻減小量小于污垢導(dǎo)熱熱阻增加量，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)換熱器結(jié)垢量超過一定值時，殼程對流熱阻減小量大于污垢導(dǎo)熱熱阻增加量，即殼程對流熱阻影響大于污垢導(dǎo)熱熱阻的影響時，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。

如圖 2（b）所示，換熱器的對數(shù)平均溫差隨著結(jié)垢量增加而降低。這是由于隨著污垢量增加，換熱面的換熱熱阻增加。

由圖 2（c）可知，隨著污垢層厚度的增加，換熱器殼程進出口壓降逐漸增大，而換熱器管程進出口壓降幾乎保持不變。這是由于污垢厚度增加，殼程流體流通截面面積減小，流體流速增加，導(dǎo)致管內(nèi)流動的雷諾數(shù)增加，造成殼程的壓降增加。

2.2 換熱器殼程均勻結(jié)垢

考慮污垢均勻分布在換熱管外側(cè)和殼內(nèi)側(cè)。

模擬結(jié)果如圖 3（a）、（b）、（c）。如圖 3（a）所示，傳熱系數(shù)隨著結(jié)垢量的增加而減小，當(dāng)污垢量增加到一定程度時，換熱器傳熱系數(shù)變化細微。這是由于污垢的存在使污垢導(dǎo)熱熱阻增大，但是隨著污垢量的增加，殼程對流熱阻減小量增加，二者相抵，所以傳熱系數(shù)整體變化細微。

圖3 殼程均勻結(jié)垢的傳熱阻力性能Fig.3 Heat transfer resistance properties of shell side uniform scaling

由圖 3（b）得到，換熱器對數(shù)平均溫差隨著結(jié)垢量的增加而降低，但是當(dāng)結(jié)垢量繼續(xù)增加時，換熱器對數(shù)平均溫差上升。這是由于隨著污垢量增加，換熱面的換熱熱阻增加，，但是由于換熱器殼程外側(cè)結(jié)垢，會增加換熱器與外界的熱阻，此時，換熱器殼程外側(cè)污垢層起到保溫的作用。

由圖 3（c）可知，其與圖 2（c）中曲線情況類似，由于污垢厚度增加，殼程流體流通截面面積減小，流體流速增加，殼程壓降升高。

2.3 換熱管內(nèi)均勻結(jié)垢

當(dāng)考慮換熱器管程結(jié)垢時，分析結(jié)垢厚度分別為 1 mm、2 mm 時的流動傳熱性能。

模擬結(jié)果如圖 4（a）、（b）、（c）。如圖 4（a）所示，隨著換熱管內(nèi)結(jié)垢量的增加，傳熱系數(shù)先減小，然后有少量的增加。

換熱管內(nèi)結(jié)垢，在增加污垢導(dǎo)熱熱阻項的同時，殼程對流熱阻減小，由于二者變化量不同，而導(dǎo)致傳熱系數(shù)如圖變化。

圖4 換熱管內(nèi)結(jié)垢的傳熱阻力性能Fig.4 Heat transfer resistance properties of tube scaling

由圖 4（b）可知，污垢量增加，換熱器對數(shù)平均溫差有所增加。這是由于結(jié)垢量增加導(dǎo)致了換熱面?zhèn)鳠嵝阅艿慕档?，管程流體攜帶熱量未能通過有效熱傳導(dǎo)傳給殼程流體，所以管程流體溫度升高，而殼程流體由于得到的熱量減少，升溫降低。

如圖 4（c）所示，隨著結(jié)垢量增加，換熱器殼程進出口壓降基本保持不變，管程進出口壓降隨著結(jié)垢量增加呈現(xiàn)線性升高趨勢。由于換熱器管程結(jié)垢，管程流體流通截面積減小，流體壓力增大。

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)換熱器內(nèi)流體的流態(tài)等條件保持不變，在結(jié)垢位置相同時，隨著結(jié)垢量增加，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，換熱器流動傳熱性能先降低后升高；

（2）換熱器結(jié)垢會使結(jié)垢一側(cè)流體流通截面積變小，流體進出口壓降增加，從而破壞換熱器的安全使用性能，長此以往，導(dǎo)致?lián)Q熱壁面穿孔；

所以，在流體管殼程流速滿足換熱器安全性和換熱效果的前提下，需要考慮流體流速對結(jié)垢的影響，即流速不能太大影響高低溫流體的換熱效果，亦不能太小導(dǎo)致污垢量的增加；同時，要保證換熱器內(nèi)部流體的清潔度。

［1］SV Patankar, D B Spalding. A Calculation Procedure for T ransient and Stead State Behavior of Shell and Tube Heat Exchanger. AFGAN N, SCHLUNDER EU. Heat Exchanger Design and Theory Sourcebook[M].Washington DC:Scripta book Company, 1974:155-176.

［2］EIAMSA-ARD S, PETHKOOL S, THIANPONG C, et al. Turbulent flow heat transfer and pressure loss in a double pipe heat exchanger with louvered strip inserts [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2008, 35(1):120-129.

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［4］錢劍峰, 吳學(xué)慧, 孫德興, 吳榮華. 管殼式污水換熱器結(jié)垢厚度對流動換熱的影響[J]. 流體機械, 2007, 35(1): 74-78.

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［7］ 姚玉英，黃鳳廉，陳常貴，柴誠敬. 化工原理[M]. 新版（上）. 天津：天津大學(xué)出版社，2004.

Effect of Scaling on Flow and Heat Exchange Characteristics of Shell-and-Tube Heat Exchanger

WU Guo-zhong1，LIN Lin1，YANG Xian-zhi2，QI Han-bing1，LI Dong1
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Liaohe Oilfield Company Drilling Technology Research Institute, Liaoning Panjin 124000，China）

In view of the heat transfer problem after scaling of shell-and-tube heat exchanger, the simplified mathematical and three dimensional physical model of shell-and-tube heat exchanger was established. Using the finite volume method combined with wall function method, flow and heat transfer in shell-and-tube heat exchanger were numerically simulated. The results showed that, amount of dirt inside the shell-and-tube heat exchanger had a great influence on the heat transfer process. With the scale increased, the pressure drop of scale side import and export increased and the heat exchange character reduced.

Shell-and-tube heat exchanger; Scaling; Flow and heat exchange; Numerical simulation

TQ 050

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1386-03

2013-11-05

吳國忠（1961-），男，黑龍江牡丹江人，教授，博士，2007 年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運專業(yè)，研究方向：油氣儲運系統(tǒng)傳熱分析。E-mail：dqwgz@126.com。