U型管式换热器进口截面流场数值模拟

第４３卷第６期　２０１４年６月　当　代　化　工　Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｖｏ］．４３．ＮＯ．６　ｄｕｍｅ，２０１４　Ｕ型管式换热器进口截面流场数值模拟　孙晓盟　，王洪志　，林国庆　，曲国平　，郝　明４　时　黛　（１．长春特种设备检测研究院，吉林长春１３００１１；２．中国石油管道公司沈阳龙昌管道检测中心，辽宁沈阳１１００００；３．吉林化工学院机电：亡程学院，　吉林吉林１３２０２２；４．北方华锦化学工业集团有限责任公司，辽宁盘锦１２４０００；５．内蒙古民族大学机械工程学院，内蒙古通辽０２８０００）　摘　要：建立了ｕ型管式换热器进口截面的三维稳态流动数学模型，求得了Ｕ型管式换热器内部的压力场、　速度场和温度场分布；在此基础上对Ｕ型管式换热器内部的温度场、压力场和速度场进行了讨论。研究结果表　明，一方面，增大Ｕ型管式换热器进口热流体速度，可以增加Ｕ型管式换热器的换热量，增大出口截面的速度，　增大内部压强，提高内部温度；另一方面，运行时间越长，Ｕ型管式换热器内部温度越低、出口截面速度越大，　总传热率越低，压力损失先减小后趋于稳定；同时，离Ｕ型管换热器越近的外导流筒冲刷腐蚀越严重。　关键词：Ｕ型管换热器；温度场；速度场；Ｆｌｕｅｎｔ　文献标识码：Ａ　文章编号：　１６７１－０４６０（２０１４）０６—１１１７—０４　中图分类号：ＴＱ０５１．７　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕ．ｔｕｂｅ　Ｈｅａｔ　Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　Ｉｎｌｅｔ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｆｌｏｗ　Ｆｉｅｌｄ　ＳＵＮＸｉａｏ．ｍｅｎｇｌ，　ｒＡＮＧＨｏｎｇ－ｚｈｉ２　ＬＩＮ　Ｇｕｏ—ｑｉｎｇ　ＱＵＧｕｏ－ｐｉｎｇＬ，ＨＡｏＭｉｎｇ￣，ｓＨｊＤｎｆ　，（１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｅｑｕｉｐｌｍｅｎｔ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｌｉｎ　Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００１１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｌｏｎｇｃｈａｎｇ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｃｅｎｔｅｒ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｌｌｉｎ　Ｉｎｓｔｉｕｔｅ　ｔｏｆ　—Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｌｉｎ　Ｊｉｌｉｎ１３２０２２，Ｃｈｉｎａ；４．Ｎｏｒｔｈ　Ｈｕａｊｉｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｐａｎｊｉｎ　１２４０００，　Ｃｈｉｎａ；５．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｔｏｎｇｌｉａｏ　０２８０００，　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：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　ｍｅ　ｍｏｄｅ１．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ，ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｆｅｌｄ　ｏｆｔｈｅ　Ｕ　ｔｙｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ．ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｉｎｌｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆｈｏｔ　ｌｆｕｉｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｕ　ｔｙｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｆｏｒ　ｏｎｅ　ｔｈｉｎｇ．Ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ；ｆｏｒ　ａｎｏｔｈｅｒ，ｔｈｅ　ｌｏｎｇｅｒ　ｔｈｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｍａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅ　ｏｕｔｌｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈｅ　ｔｏｔａ１　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｒａｔｅ，ｔｈｅ　Ｄｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏｓｓ　ｉｒｓｔ　ｆｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ａｎｄ　ｈｅｎ　ｔｔｅｎｄｓ　ｔｏ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ａｌｌ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｕ　ｔｙｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｉＳ　ｅｎｈａｎｃｅｄ．ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　Ｕ　ｔｙｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｊｎｌｅｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｓｉｎｇ　ｗａｌ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｕ．ｔｕｂｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｅｌｆｄ；Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｅｌｆｄ；Ｆｌｕｅｎｔ　管壳式换热器在泵站、炼油厂等化工生产中　被广泛使用，它的结构简单、坚固、制造较容易，　处理能力大，适应性能，操作弹性较大，尤其在　高压、高温和大型装置中使用更为普遍　。Ｕ型管　流体温度与速度数值方面的不同，用来在ｕ型管　换热器设备腐蚀方面提供理论依据。　１数学模型建立及求解　１．１基本假设　换热器是一种典型的管壳式换热器，其管子弯成Ｕ　形，由于其结构简单，造价比其他换热器便宜，　承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介　质易结垢需要清洗，又不宜采用浮头式和固定管　板式场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的　高温、高压、腐蚀性大的物料　。基于ｆｌｕｅｎｔ软件　在管壳式换热器中具有一定的可行性ｐ　，而且ｕ　型管换热器在ｆｌｕｅｎｔ数值模拟方面研究较少，本文　建立了ｕ型管换热器的模型，研究了Ｕ型管换热　器进口截面温度场与速度场之间的关系，通过热　图１　Ｕ型管换热器模型　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｕ—ｔｕｂｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　者倚介：：　｝　一）．男，吉林长春人，助理工程师，２程ｉｌ　，１５９４３０午毕００９年毕业于吉林化工学院过程装备与控制工程专业，研究方向为特种设备安全评　学慌过程装备　制工程专业’研冤方向为特种设备她评　ａ二通讯作者：　．作者：　林国庆（］１　）从事杵种９８６－　，男，助教，　硕研究生学历，－ｉ：　肆历，：研究方向为过鬈　评定技术及能源工程。研究方向为过程装备安全评定技术及能拣工程。　］　１Ｅ－ｍａｉ　Ｉ．＿…６：　ｇｑＯ／７ｂ＠ｉ１　２Ｚ６ｂ．・ｃ　。ｏｎｒ。　９０３６　１　化　工　２０１４年６月　建立了ｕ型管换热器进口截面模型，采用前处　理软件ＧＡＭＢＩＴ进行几何建模和网格划分，采用　ＦＬＵＥＮＴ进行数学模型求解计算，计算结果采用　式中：　、Ｕｙ、Ｕ：一　、ｙ、ｚ三个方向的速度分量，ｍ／ｓ；　ｙ—垂直方向的体积力，即重力，考虑是不可压缩流体，　所以　为常数：　ｔ一时间＆　３网格划分与计算方法　ＴＥＣＰＬＯＴ软件把数值模拟得到的结果进行图像拟　１．运用ＧＡＭＢＩＴ对Ｕ型管换热器进口截面进行建　合。Ｕ型管换热器通过进口热流进料，通过与ｕ型　管中冷流换热以达到降低温度的目的。在ＧＡＭＢＩＴ　模和网格划分，网格划分方法为六面体网格。ｕ型　建立的Ｕ型管换热器如图１所示。　Ｕ型管换热器中的热流体与冷流体在进口端主　要呈垂直交叉流动，热流体的流动状况主要受到污　垢、换热管排管根数结构、换热管温度等得影响，　本文对ｕ型管换热器热流体做如下假设：　（１）不考虑热流体密度体积变化，将热流体　视为不可压缩流体；　（２）非定常流动；　（３）Ｕ型换热管中冷流体视为恒温；　（４）不考虑冷流体流动；　（５）不考虑污垢系数影响。　１．２控制方程　连续方程　：　望＋塑　＋—ａ（ｐｕ）－—４一　：０（１）　ｔ　８ｘ　ａｚ　质量守恒方程：　Ｉ　一　＋Ｖ（等＋等＋　］　：“　“　＿　＋　堕　—　三＋“　＿　（２）　ｙ　，＋“　堕　ｙ　Ｐ篆＋Ｖ（　＋等＋等］Ｊ　：　—　＋＋Ｕ堕三＋Ｕ＋—　，ｖ　，。（３）Ｌ　ｊ　　．　一吉ｐ　＼　＋　（＼等＋ａｘ。　２　＋　ａ等］Ｚ　１　一“　　一＋　＋　一＋＋　Ｕ　：＿＿＝　（４４）　能量方程：　ａＴ　ａＴ　ａＴ　ａＴ　ａｔ　ｘ　’　：　Ｚ　ｆ　ａ　Ｔ　ａ＋　＋　Ｔ　ａ　Ｊ　Ｔ　１　（５）　初始条件　“　＝“　（　，Ｙ，ｚ，　）｛ｆ：ｏ　（６）　管换热器壳体直径为１　３００　ｍｍ，进口直径为６５０　ｍｉｘ１，进口顶部与壳体距离为１５０　ｍｍ，Ｕ型管换热　管直径为２０　ｗｉｎ，管间距为３２　ｍｍ，Ｕ形换热管根　数为５６４根，外倒流简数共４１个，由于对称关系，　换热管数和外倒流筒数各取一半。截面宽７００　ｍｍ。　ｕ型管材质为１１３＃钢，热流体为ＨＦ，密度为０．８８１　４　ｋｇ／ｍ　，热导率为０．０４５　４　Ｗ／（ｍ・Ｋ），动力粘度为１．７２　Ｘ　１０—５　ｋｇ／（ｍ・ｓ），温度为３１３Ｋ；冷流体为水，温　度为３０７　Ｋ；壳体材质为１０＃钢，密度为７．８６×１０３　ｋｇ／ｍ。，热导率为４４．２　Ｗ／（ｍ．Ｋ１，比热容４７７　Ｊ／（ｋｇ－Ｋ）；　环境压强为１０１　３２５　Ｐａ，重力加速度为９．８　ｍ／ｓ　，环　境温度为２８８　Ｋ。划分网格如图２所示，网格节点　数量约为２．４１　Ｘ　１０６个，采用ＳＩＭＰＬＥ算法。连续　方程和能量方程收敛判据残差分别为１Ｏ　和ｌ０～。　在计算机配置处理器为Ｉｎｔｅｒ（Ｒ）Ｃｏｒｅ（ＴＭ）２　Ｄｕｏ　ＣＰＵ　２．２０　ＧＨｚ、主板Ｌｅｎｏｖｏ和内存２　ＧＢ。　图２　Ｕ型管换热器的三维网格模型　Ｆｉｇ・２　Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｍｅｓｈ　ｏｆ　Ｕ－ｔｕｂｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　１。４边界条件　采用标准　ｓ双方程湍流模型，其边界条件包　括：进口条件，出口条件，对称面，壁面等。进口　条件为速度人口，出口条件为自由流动，壁面设置　为静止，为标准壁面函数，ｕ型管换热器为中心对　称，截取一半设置对称面方便计算。上述边界位置　见图１。进口初始速度为８０、１００和１２０　ｍ／ｓ，湍流　强度为５％，进口水力学直径为０．６５　ｍ。　２模拟结果与分析　２．１速度场分布　从图３（ａ）Ｕ型管换热器进口截面速度矢量图中　可以看出，由于受到重力的影响，ＨＦ在流经最上　１　１２０　当　代　化　工　２０１４年６月　２．４流场关系　损失最大。在运行到Ｏ．５～１．５　ｈ区间内，换热器内部　从图８（ａ１　Ｕ型管换热器压力损失随时间的关系　压力损失急剧降低。在运行到１．５　ｈ之后，压力损失　曲线中分析可知，ｕ型管换热器进口速度越大，压　趋于稳定。　力损失也就越大。ｕ型管换热器刚启动不久，压力　ｎ　５　ｌ　０　１　５　２　０　２　ｌ　０　（）５　１　０　１　５　２　０　２　５　３　０　ＴｌＩｎｅ／ｈ　１ｉ　ｍｅ，／ｈ　Ｔ１ｍｅ／ｈ　ｆａ）压损与时间关系曲线　（ｂ）出口总传热率与时间关系曲线　ｆｃ）出口平均温度与时间关系曲线　图８　Ｕ型管换热器压力损失、出口总传热率及平均温度随时间的关系曲线　Ｆｉｇ．８　Ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏｓｓ，ｅｘｐｏｒｔ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ａｖｅｒａｇｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｕ－ｔｕｂｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　从图８ｆ１））Ｕ型管换热器出口总传热率随时间的　（３）外导流筒离ｕ型管换热器进口处越近，　关系曲线中可知，ｕ型管换热器进口速度越大，总　所受的冲刷腐蚀越严重。　传热量越大。随着ｕ型管换热器运行时间的增加，　参考文献：　总传热量随之降低，但降低的幅度不大。从图８（ｃ）ｕ　［１］王志魁，化工原理（第三版）［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４—１０：　型管换热器出口平均温度随时间的关系曲线可知，　１８７．　Ｕ型管换热器进口速度越小，出口截面的温度也就　）『＼０　＿　＿《０００ｇ　＿Ｌ　［２］王争舁，王学生，战洪仁，等．浅谈Ｕ型管换热器【Ｊ１＿广东化　Ｉ：。　ｉ　ｉ　３　越小。在运行ｌ～１．１　０　Ｏ　０　０　Ｏ　２００９，３６（１０）：１７２－１８８．１　５　ｈ和２．Ｏ　９　８　５￣３　７　ｈ区间内，温度降低　　６　５　［３］王艳云，李志安，刘红禹，等．ＦＬＵＥＮＴ软件对管壳式换热器壳程　较快。在运行３　ｈ之内，温度降幅维持在０．６　Ｋ以内。　流体数值模拟方法可行性的验证【Ｊ１．管道技术与设备，２００７（６）：　４６－４８．　３结论　［４］简弃非，肖恺．基于ＦＬＵＥＮＴ软件的强化传热管特性三维数值模拟研　（１）对ｕ型管换热器进行ＣＦＤ数值模拟，提　究『Ｊ】＿低温与特气，２００６，２４（６）：６－９．　［５］朱红钧，林元华，谢龙汉，ＦＬＵＥＮＴ流体分析及仿真实用教程【Ｍ　Ｅ京：　高ｕ型管换热器进口速度，出口截面速度越大，内　人民邮电出版社，２０１０：１３—１７．　部压强越大，ｕ型管换热器内部温度将上升，对换　［６］中国腐蚀与防护学会《金属腐蚀手册》编辑委员会．金属腐蚀手　热器的换热效果起到一定的积极作用。　册『Ｍ］．上海：上海科学技术出版社，１９８７．　［７］王洪志，胡传顺，梁平，等．氢氟酸浓度对Ｎｉ—ｃｕ—Ｐ镀层耐蚀性的影　（２）ｕ型管换热器进口速度越大，运行时间越　响ＩＪ１．石油化工高等学校学报，２０１　１，２４（４）：８４—８７．　长，总传热率越低，出口截面温度越低，出口截面　［８］林国庆，王茂廷，王飞等．肋片式换热器有限元热应力分析［Ｊ］＿中国安　速度越大，压力损失先减小后趋于稳定。　全生产科学技术，２０１２．８（７）：１４８—１５１．　（上接第１０９９页）　对此首先在设备的选材上应该给与足够的重　２００５６．２６（４）：３６．　视，根据加工原油的性质，以及针对日常生产中易　［２］　郭树峰，于四辉．常减压装置塔顶系统的腐蚀机理与防腐措施ＩＪ】．　于发生腐蚀的部位进行合理的选材，表面做合理的　中外能源，２０１０，１５：９８—１０２．　防护隔离层；在工艺上，开好电脱盐工艺，做好塔　［３］　刘锐，蔡萌，王继国．常减压装置炼制大庆原油的腐蚀原因分析　ｆＪ１．化工科技市场，２０１０，８（８）：９－１２．　顶“三注”工作也是十分必要的。只有同时做到以　［４］　林红先，常减压装置低温部位露点腐蚀研究【Ｄ】．西安：西安石油大　上几点才能有效的减缓常减压的低温露点腐蚀，为　学硕士学位论文．　装置的正常持续生产提供保障。　［５］　谢水海．常减压装置工艺设备腐蚀状况分析【Ｊ１ｌ石油化工设备技　术，１９９９，２０（１）：５５．　参考文献：　［１］曹东学．常减压装置腐蚀及应对措施［Ｊ］．石油化工设备技术