基于FLUENT的套管式換熱器內漏危害分析與控制

郭田 錦左晨 雷雯

摘 要：本文對套管式換熱器內漏展開研究，首先在說明換熱器內漏研究必要性的基礎上，介紹了本文所選用的CFD軟件FLUENT背景，針對套管式換熱器，用GAMBIT建模并劃分網格設置邊界條件，再用FLUENT軟件對泄漏進行模擬，對比換熱器內漏引起的參數(shù)變化，最后進行換熱器內漏危害控制措施分析，提出內漏的控制措施，將理論與實際相結合，使結果更加具有合理性。

關鍵詞：套管式換熱器;內漏;FLUENT;模擬

0 引言

換熱器在當今社會有著豐富的應用，如石油、化工、電力、冶金、船舶等領域，各行各業(yè)對換熱器的需求都處于穩(wěn)定增長中，換熱器的發(fā)展也朝著高效率、低能耗、低污染邁進。換熱器既可以作為工業(yè)中的重要設備，如過熱器、預熱器、加熱器等，還有冷凝塔內的熱交換器;也在我們的生活中充當著必不可少的角色，取暖時的暖氣片、汽輪機中的凝汽器、汽車上的油冷卻器等都是換熱器。換熱器是石油化工中應用最為廣泛的單元設備之一。而就在這種社會背景下，由于參差不齊的制造水平和復雜多變的工況環(huán)境導致的換熱器泄漏更是已發(fā)生事故中的常見類型。換熱器的泄漏不僅會浪費物料、污染環(huán)境，還會影響正常的生產流程、降低企業(yè)的經濟效益，已經成為不容忽視的社會問題。

1 套管式換熱器內漏數(shù)值模擬分析

1.1 建模及前處理

FLUENT軟件在全球計算流體力學的研究中起著重要作用，僅在美國市場占有率就高達60%，它最突出的特點就是廣泛的物理模型和精確的數(shù)值計算以及豐富的后處理特性，F(xiàn)LUENT被各行各業(yè)拿來投入設計模擬，其仿真功能從天然氣儲罐的燃爆到飛機機翼模擬，從瓷器制造到桌椅設計，從半導體制造到模仿肌肉運動。本文所用的FLUENT前處理器為GAMBIT，因GAMBIT有前處理建模及網格劃分設置進出口的功能，是進行數(shù)值模擬時前處理器的首選，GAMBIT適合于簡單模型，適用于本例，模型建模完成后可以導入GAMBIT軟件再進行網格劃分。

鑒于套管式換熱器自身結構的特性，在現(xiàn)有的計算水平和資源下對整個結構進行整場數(shù)值模擬太過復雜，所以有必要對其進行合理的簡化，使之能完成數(shù)值模擬，即使簡化帶來誤差，只要誤差在工程上是可以接受的就可以，因此只把套管式換熱器做局部模擬，并且簡化成簡易幾何模型圖。

1.2 幾何模型

套管式換熱器局部模型基本數(shù)據(jù)如表1所示。

1.3網格劃分

因為管內的流動為湍流，在靠近管壁的地方流動特性不同于主流區(qū)，為了更好的計算壁面附近的流場，進行邊界層劃分，第一層厚度設定為0.5，邊界層的增長因子設定為1.2，邊界層層數(shù)設定為6。

對數(shù)值模擬結果來說，網格劃分的作用至關重要，因為網格的質量給計算過程的精確性和收斂難易程度帶來巨大影響。在2D劃分網格時有Quad、Tri、Quad/Tri可以選擇，本文穩(wěn)態(tài)模型采用了四邊形單元，泄漏模型采用了劃分更為精細、計算更加準確的三角形單元，在Type中選擇Map形式由Gambit生成網格。

1.4 邊界條件的指定

在本文中為了更好的換熱，管殼程介質逆向流動，所以有管程、殼程的進出口和管壁換熱系數(shù)需要設置。將管殼程進口設置為速度入口（Velocity-inlet），出口設置為壓力出口（Pressure-outlet），管壁為壁面（Wall）。

1.5 計算過程

本文中所選擇的模擬對象和情景是二維問題，對于精度的要求較低，因此在FLUENT軟件中，選擇二維單精度求解器（2D）。將網格導入軟件進行檢查確認網格合格之后，把計算區(qū)域的尺寸由默認的m改為mm。定義基本求解器，啟動能量方程，假設流動形式為湍流，選擇計算模型為k-epsilon。保持系統(tǒng)默認的參數(shù)即可，即在標準大氣壓力下進行運算，不考慮重力的影響。把水的物理性質從數(shù)據(jù)庫中調出。把流體區(qū)材料設定為液態(tài)水，固體區(qū)材料設置為鋁，根據(jù)需要模擬的工況設置冷熱介質入口處的速度和溫度、出口處的壓力。將固體處的熱導率設置為鋁的熱導率。采用SIMPLE算法，在迭代計算時動態(tài)顯示計算殘差，求解精度保持系統(tǒng)默認值即可。

2 結果分析與討論

選擇合適換熱器進行建模及前處理之后，查閱了相關換熱器工作數(shù)據(jù)，采用了符合工況實際的參數(shù)，進行內漏的模擬，主要分為三部分：穩(wěn)態(tài)與內漏的速度、溫度、壓力場對比。

2.1 速度場對比分析

通過穩(wěn)態(tài)與泄露狀態(tài)的速度場模擬可以看出，泄漏未發(fā)生時，穩(wěn)態(tài)流動下?lián)Q熱器內介質流動比較穩(wěn)定，入口處流速稍大于出口處，靠近管壁的流速大于中間部分流體流速。泄漏發(fā)生后，在泄漏口處速度集聚增大，由壓力較大的殼程流向壓力較小的管程，殼程的整體流速有少量變化。

2.2 溫度場對比分析

通過穩(wěn)態(tài)與泄露狀態(tài)的溫度場模擬可以看出，泄漏未發(fā)生時，穩(wěn)態(tài)流動下溫度呈梯度變化，管程從入口到出口溫度逐漸降低，殼程從入口到出口溫度有輕微升高。泄漏發(fā)生之后在所模擬的這一米長的管徑內溫度基本沒有變化。

2.3 壓力場對比分析

通過穩(wěn)態(tài)與泄露狀態(tài)的壓力場模擬可以看出，泄漏未發(fā)生時，管程入口處壓力較小，之后略有升高，殼程入口處壓力較小，之后略有升高。泄漏發(fā)生之后管程在泄漏口處有明顯的壓力降低，殼程的壓降集中在離出口較近處，并且殼程的壓力整體比較高。

3 套管式換熱器內漏危害控制措施分析

結合上面內容中針對套管式換熱器內漏進行數(shù)值模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)，套管式換熱器的內漏會對流速、溫度、壓力都帶來顯著的變化和影響，內漏狀態(tài)下的各項參數(shù)與正常工況下有較大差異，因此，對套管式換熱器內漏采取一定措施進行控制尤為重要。

3.1 對泄漏源進行處理

泄漏發(fā)生后及時有效的處理是首要問題，在情況允許時要立刻采取適當辦法切除泄漏源，盡快采取機械沖洗方法，并且排放污油，泄漏情況嚴重的話還要進行化學沖洗對循環(huán)水類換熱器進行重新預膜，使水質在最短時間內恢復正常。

查到泄漏源在哪個換熱器之后要立刻進行檢修處理，對于因工藝需要必須運行不能切除的換熱器要升高控制COD、油含量、異氧菌和余氯的監(jiān)控頻率，并且使用氧化性和非氧化性殺菌劑結合的方法把COD值和異氧菌的量控制在一定值，防止腐蝕加劇，減少粘泥量，時時關注水質變化情況，對于油污較多的情況，處理時除了排物、溢流和人工撇油，還要增投除油劑。

3.2 工藝上采取“一脫四注”

一脫四注指的是：脫鹽、注氨、注緩蝕劑、原油注堿、注水。這是在化工工藝上常采用的一種防止金屬發(fā)生腐蝕的方法。

脫鹽指的是減少鹽含量，原油中雖然含鹽量本身并不高，但是鹽分的存在仍然會引起腐蝕，鹽水解生成的氯化氫氣體會形成腐蝕性介質，引起循環(huán)系統(tǒng)中的腐蝕。注堿指的是在脫鹽之后，使殘留在原油中的氯化鎂、氯化鈣變成氯化鈉。氯化鈉跟前兩種物質相比不容易水解，也不會產生酸性氣體，從而能控制鹽腐蝕，并且中和石油酸和硫化氫。在脫鹽注堿之后，常壓塔頂冷凝系統(tǒng)仍有殘留的5%到10%的氯化氫，這就需要進行注氨，在水蒸氣變成液態(tài)水之前，氨氣與氯化氫反應生成氯化銨，從而避免生成氯化氫的水溶液。而注堿性水是為了溶解氯化銨。緩蝕劑是能夠在金屬表面形成膜的有機胺類化合物。緩蝕劑表面具有活性，吸附在金屬表面之后能形成具有抗水性的保護膜，從而隔絕金屬與腐蝕性溶液直接接觸。

3.3 結構改進

然而針對套管式換熱器易發(fā)生泄露的現(xiàn)狀，要想從根本上改變這一問題，實現(xiàn)本質安全，就要對換熱器設備的結構進行改進，以提高設備的使用周期。在換熱器設備結構改進上可以做如下工作：

（1）提高管束的材質質量;采用制作工藝更為精良、質量更優(yōu)質的管束材料，以管束材質性能的變化來減少泄露的發(fā)生，從而延長管束的使用壽命。管材可以從常用的10#鋼改為Cr13。

（2）將列管與管板的連接形式由脹接改為焊接;這種連接形式上的改變可以增強管口連接處的強度，硫含量較高的油品在高溫、高速流動的狀態(tài)下，對金屬材料的腐蝕是以減弱金屬材料機械性能為主的，因此采取以上兩種措施能提高管材的機械強度。

但也有工廠在采取以上兩種措施后，換熱器在使用一段時間后管口正常，沒有內漏發(fā)生，但列管堵塞的問題仍然存在。換熱器的實踐維修經驗表明，在定期檢修中采取合理的檢修施工工藝方法，可以有效減少換熱器泄露發(fā)生頻率，或減少重復檢修，進而節(jié)約檢修費用，提高企業(yè)的經濟效益與操作環(huán)境的安全性。

參考文獻

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