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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。而管殼式換熱器成本較高,其熱工性能決定著后期運(yùn)行成本。為此,國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其流動(dòng)傳熱進(jìn)行了大量的研究。大慶油田擁有大量的管殼式換熱器,其性能直接影響的處理過程和油田節(jié)能減排的落實(shí)程度,而隨著含水率增加,換熱器結(jié)據(jù)率明顯,易造成其壁面的結(jié)塘甚至堵塞,并且由于污拒會(huì)對(duì)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)生隱患。為消除換熱器結(jié)據(jù)和泄漏造成的損失,油田管理部門每年都對(duì)換熱器進(jìn)行清洗、堵漏作業(yè),但目前尚無有效手段快速地評(píng)價(jià)換熱器的結(jié)塘和泄漏情況,導(dǎo)致需要針對(duì)每一臺(tái)換熱器進(jìn)行處理,造成管理成本的增加。后面兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果相差小于60%綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算花費(fèi),選取第二套網(wǎng)格:終網(wǎng)格數(shù)量為1,952,621個(gè)。而管殼式換熱器的流動(dòng)傳熱特性是評(píng)價(jià)其結(jié)塘、池漏的關(guān)鍵,也是進(jìn)行有效預(yù)測的前提條件。
無論出現(xiàn)哪種冷凝器生產(chǎn)廠家故障,都會(huì)降低換熱器的換熱效率,影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。近年來,粗加工裝置換熱器內(nèi)漏、結(jié)塘堵塞問題越來越突出,尤其換熱器,已嚴(yán)重影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。目前,原穩(wěn)站管殼式換熱器運(yùn)行效果多人為經(jīng)驗(yàn)判斷,不能及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)運(yùn)行效果、存在問題進(jìn)行診斷。因此,換熱器在線檢測技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用是提高粗加工裝置運(yùn)行安全性的手段之一。順著折流板走向,換熱器殼程內(nèi)砂的速度矢量值相比較大,在Im/s至1。本課題通過研究油田用管殼式換熱器內(nèi)部結(jié)塘及泄漏問題,建立換熱器運(yùn)行傳熱與流動(dòng)數(shù)學(xué)模型,分析換熱器管壁結(jié)拒及泄漏對(duì)換熱器換熱流動(dòng)特性的影響,并根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù),對(duì)換熱器的換熱性能指標(biāo)進(jìn)行算例分析,從而對(duì)換熱器設(shè)備檢修與維護(hù)提供參考,同時(shí)可為油田用管殼式換熱器的改造與設(shè)計(jì)提供借鑒思想。
對(duì)管殼式換熱器強(qiáng)化管外傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研宄,提出并分析了一種新型的傳熱強(qiáng)化元件——旋流片作為管殼式換熱器管隙間支撐物的傳熱強(qiáng)化機(jī)理。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。結(jié)果顯示,旋流片能起到擾流作用,并使流體強(qiáng)烈地沖刷傳熱管壁面強(qiáng)化傳熱。對(duì)于管殼式換熱器,換熱管直徑相對(duì)很小,數(shù)量眾多,容易發(fā)生堵塞和結(jié)垢,而且對(duì)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。
有旋流片段的綜合因子,尾流段的綜合因子接近于,在自旋流段的綜合因子,應(yīng)當(dāng)充分利用自旋流段低阻的特點(diǎn)對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)復(fù)合波紋板片的板式換熱器的換熱阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,分別選用層流和瑞流模型,數(shù)值計(jì)算得到復(fù)合波紋型板式換熱器內(nèi)部的速度場,以及復(fù)合波紋型板式換熱器在不同數(shù)范圍內(nèi)的換熱準(zhǔn)則方程式和摩擦系數(shù)關(guān)系式,證明了用數(shù)值計(jì)算方法研究復(fù)合波紋型板式換熱器流動(dòng)與換熱性能的可行性。東北大學(xué)的尹俊以乂為開發(fā)平臺(tái),利用數(shù)據(jù)庫技術(shù),建立了獨(dú)立、幵放、數(shù)據(jù)共享、運(yùn)行可靠的傳熱介質(zhì)物理性能數(shù)據(jù)庫,并實(shí)現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)查詢。建立了一種復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,用于預(yù)測套管式換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)及傳熱特性的數(shù)學(xué)模型,包括計(jì)算流體力學(xué)模型和計(jì)算傳熱學(xué)模型。
單弓形折流板管殼式換熱器物理模型復(fù)雜,因此選用適應(yīng)性強(qiáng)的正四面體和金字塔形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,使用GAMBIT劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的數(shù)量直接決定了計(jì)算速度和精度。網(wǎng)格過少,將不到流場的流動(dòng)特性;網(wǎng)格過多,一方面會(huì)嚴(yán)重消耗計(jì)算機(jī)資源,另一方面大量的數(shù)值耗散積累會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的正確性。所以進(jìn)行網(wǎng)格的獨(dú)立性驗(yàn)證時(shí)十分必要的。以一個(gè)單弓形折流板管殼式換熱器模型為例進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。共三套網(wǎng)格:換熱器整體均為四面體,終網(wǎng)格數(shù)量為1,521,014個(gè);殼程為四面體網(wǎng)格,管程及殼程進(jìn)出口管為六面體網(wǎng)格,終網(wǎng)格數(shù)量為I ,952,621個(gè);由面到體依次畫網(wǎng)格,終網(wǎng)格數(shù)量為2,175,849個(gè)。介質(zhì)內(nèi)漏:換熱設(shè)備內(nèi)的兩種介質(zhì)由于某種原因造成高壓側(cè)介質(zhì)向低壓側(cè)滲漏。后面兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果相差小于60%綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算花費(fèi),選取第二套網(wǎng)格:終網(wǎng)格數(shù)量為1,952,621個(gè)。