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        熱交換器層流區(qū)流動(dòng)數(shù)值傳熱研究

        2018-01-17 10:26:38劉紀(jì)堯
        設(shè)備管理與維修 2017年6期
        關(guān)鍵詞:熱交換器層流熱阻

        李 晉,劉紀(jì)堯

        (海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

        0 引言

        中國(guó)海油許多油田區(qū)塊原油黏度高、流動(dòng)性差,給熱交換器設(shè)計(jì)帶來諸多困難,在熱交換器的設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮高黏流體的流動(dòng)及傳熱特點(diǎn)。筆者在積累大量工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)例的基礎(chǔ)上,針對(duì)海油平臺(tái)特殊工況,總結(jié)出高黏原油熱交換器區(qū)別于其他常規(guī)熱交換器設(shè)計(jì)的不同點(diǎn),在常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算中,當(dāng)殼程流體處于層流區(qū)(Re≤2300)時(shí),管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般選擇一個(gè)傳熱經(jīng)驗(yàn)公式[1],這對(duì)一般流體適用性較好,但對(duì)存在很大徑向溫差的高黏流體適用性較差,需選擇更精確的經(jīng)驗(yàn)公式。在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過仔細(xì)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[2]研究結(jié)果符合海油平臺(tái)高黏原油特殊工況:即層流區(qū)的流動(dòng)情況需要分段劃分,即橫掠順排管束平均表面?zhèn)鳠嵊?jì)算關(guān)系式隨Re的變化各有不同(Re<100,100≤Re<1000以及 1000≤Re<2300),因此,在設(shè)計(jì)高黏流體熱交換器時(shí),需要根據(jù)Re值選擇經(jīng)驗(yàn)公式,得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

        1 高黏原油熱交換器設(shè)計(jì)物理模型

        1.1 實(shí)例模型

        中國(guó)海油許多采油區(qū)塊原油黏度都很高,選擇某典型高黏度的油/油熱交換器為研究對(duì)象,以此為基礎(chǔ)模型,進(jìn)行對(duì)比分析研究并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。業(yè)主和上游專業(yè)提供的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

        1.2 物理模型

        根據(jù)1.1的設(shè)計(jì)基礎(chǔ),結(jié)合總體專業(yè)要求,建立如圖1所示的物理模型,管口方位和管殼程流動(dòng)方向如圖所示。

        2 高黏原油熱交換器設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

        2.1 基本假設(shè)

        針對(duì)1.2建立的物理模型,為方便模擬計(jì)算,做出如下幾點(diǎn)假設(shè)。

        (1)流體為牛頓流體,流體非變形,均勻且各向同性;

        (2)殼體外保溫良好,流體向大氣傳熱忽略不計(jì);

        (3)換熱管材料為20#鋼,金屬導(dǎo)熱系數(shù)為51.8 W/(m·K)[3];

        (4)管內(nèi)和管外污垢熱阻均為 0.352×10-3m2·K/W[4];

        (5)換熱管使用光管,不考慮強(qiáng)化傳熱技術(shù)。

        表1 油/油熱交換器設(shè)計(jì)參數(shù)

        圖1 油/油熱交換器物理模型

        2.2 數(shù)學(xué)模型

        (1)傳熱基本公式。熱交換器傳熱符合傅里葉定律,以傳熱管外表面積為準(zhǔn),基本公式見式(1)和式(2)。

        式中Q——熱負(fù)荷,W

        A——傳熱面積(以管外表面積為基準(zhǔn)),m2

        Ai——管內(nèi)表面積,m2

        Ao——管外表面積,m2

        ΔT——有效平均溫差,K

        K——總傳熱系數(shù)(以換熱管外表面積為基準(zhǔn)),W/(m2·K)

        hi——管內(nèi)流體對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(以換熱管內(nèi)表面積為基準(zhǔn)),W/(m2·K)

        ho——管外流體對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(以換熱管外表面積為基準(zhǔn)),W/(m2·K)

        ri——管內(nèi)流體污垢熱阻(以換熱管內(nèi)表面積為基準(zhǔn)),m2·K/W

        ro——管外流體污垢熱阻(以換熱管外表面積為基準(zhǔn)),

        rp——管壁的熱阻,m2·K/W(2)管內(nèi)流體對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。管內(nèi)流體對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表達(dá)式為式(3)。

        式中hi——管內(nèi)流體對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K)

        λiD——管內(nèi)定性溫度下介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)

        do——管外徑,m

        JHi——管內(nèi)傳熱因子,無因次

        Pri——管內(nèi)流體普蘭特準(zhǔn)數(shù);Pri=(Cpμ/λ)iD

        CpiD——定性溫度下介質(zhì)的比熱容,J/(kg·K)

        μiD——定性溫度下介質(zhì)的黏度,Pa·s

        φi——管程壁溫校正系數(shù)

        (3)管外流體對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。管外對(duì)流表面流體傳熱系數(shù),可用(4)式計(jì)算。

        式中λoD——管外定性溫度下介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)

        de——換熱管當(dāng)量直徑,m

        JHo——?dú)こ虃鳠嵋蜃?/p>

        φo——?dú)こ瘫跍匦U禂?shù)

        εh——旁路擋板傳熱校正系數(shù)

        Pro——管外流體普蘭特準(zhǔn)數(shù)

        (4)殼程傳熱因子。參閱文獻(xiàn)[2],層流區(qū)管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算采用Zhukauskas關(guān)系式,表述如表2所示。

        表2 流體橫掠順排管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算關(guān)系式

        在熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算中,傳熱因子是傳熱計(jì)算中的重要表征參數(shù),依據(jù)傳熱基本關(guān)系式,對(duì)不同Re對(duì)應(yīng)殼程傳熱因子進(jìn)行推導(dǎo),得到新的計(jì)算公式。

        ①當(dāng) 1000≤Re≤2300時(shí)有(5)式。

        式中Reo——管外流體雷諾準(zhǔn)數(shù)

        z——折流板圓缺高度百分?jǐn)?shù)

        ②當(dāng) 100≤Re<1000時(shí)有(6)式。

        ③當(dāng)Re<100時(shí)有(7)式。

        3 原油熱交換器傳熱計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)

        依據(jù)前面推導(dǎo)的傳熱因子公式,利用FORTRAN語(yǔ)言編譯相關(guān)計(jì)算程序,對(duì)層流區(qū)內(nèi)選用不同經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算,研究傳熱因子經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)傳熱性能的影響,并在此基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)例熱交換器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

        為方便模擬計(jì)算,設(shè)定基本參數(shù):換熱管直徑19 mm;熱交換器功率450 kW;折流板間距330 mm;Re在層流區(qū)內(nèi)為變量。根據(jù)2.2節(jié)(4)推導(dǎo)的3個(gè)傳熱因子公式,研究采用不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化趨勢(shì),結(jié)果如圖2所示。由圖2可見,相同Re數(shù)下,3種不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果有較大差別,當(dāng) Re數(shù)為100時(shí),利用公式(5)~(7)計(jì)算所得管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為101.3,119.3和186.9。計(jì)算所得熱阻分布見圖3??梢?,在高黏原油熱交換器中,原油的傳熱熱阻遠(yuǎn)大于污垢熱阻和管壁熱阻,為控制熱阻。因此,在此類熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算過程中,對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小對(duì)整臺(tái)熱交換器的設(shè)計(jì)起決定性作用。

        綜上,在進(jìn)行原油熱交換器計(jì)算時(shí),需根據(jù)Re數(shù)的大小,分段選擇正確合理的經(jīng)驗(yàn)公式,進(jìn)而得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。采用常規(guī)依據(jù)層流、湍流劃分的單一不分段傳熱經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算會(huì)給結(jié)果帶來較大的偏差。

        圖3 原油熱交換器熱阻對(duì)比

        4 結(jié)論

        (1)不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果有較大差別,在進(jìn)行原油熱交換器計(jì)算時(shí),需根據(jù)層流區(qū)Re數(shù)的大小,分段選擇正確合理的經(jīng)驗(yàn)公式,進(jìn)而得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,對(duì)于海洋石油平臺(tái)用高黏原油熱交換器,推薦采用本文推導(dǎo)的3個(gè)層流區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。

        (2)在高黏原油熱交換器中,原油的傳熱熱阻遠(yuǎn)大于污垢熱阻和管壁熱阻,為控制熱阻。在此類熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算過程中,對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小對(duì)整臺(tái)熱交換器的設(shè)計(jì)起決定性作用,進(jìn)一步說明選擇精確經(jīng)驗(yàn)公式的重要性。

        [1]錢頌文.熱交換器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

        [2]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2012.

        [3]董其伍.熱交換器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

        [4]秦叔經(jīng).熱交換器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

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