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一种管壳式换热器壳程单相流动和传热的三维模拟方法,用体积多孔度、表面渗透度、分布阻力和分布热源来考虑壳程复杂几何结构造成的流道缩小和流动阻力、传热效应,通过数值求解平均的流体质量、动量、能量守恒方程,得到壳程流动和换热的分布。对上述提到的三维数值模拟方法也有过类似的研究。实验方法研究了空气在具有3种不同管径19,25.32mm的波纹管内的流动与换热特性。管外壁采用电加热,来模拟均匀热流条件,测得了不同工况下各种管径的平均对流换热系数和阻力系数,拟合出了所测的参数范围内的阻力和换热实验关联式,并比较了相同管径的波纹管和光管的换热效果。(3)管束的_l几封头和下封头没有参与整个换热器的传热和流动,不影响数值计算的结果,因此在建模时将上封头和下封头进行简化处理。誉金机械运用CFD数值模拟方法,借助FLUENT数值模拟软件对管壳式换热器的三维模型进行模拟,通过对换热器结垢和泄漏时的速度场、温度场等分析,得出泄漏和结垢对换热器流动传热性能的影响,为下一步利用热工参数评价换热器结垢和泄漏提供理论依据。目前,油田三次采油中大量应用新型聚合物,导致管壳式换热器结垢明显增多,造成换热热阻增加、换热性能降低。主要内容如下:1.管壁污垢对管壳式换热器流动传热性能的影响规律研究。(1)考虑管壁污垢传热的影响,建立管壳式换热器的三维流动传热模型;(2)研究油田原稳站用油一油管壳式换热器运行过程中,含砂对换热器壳程流场分布的影响,研究壳程流场内的含砂量分布情况;(3)研究结垢厚度对管壳式换热器流动传热性能的影响规律。2.管壳式换热器内部换热面泄漏对换热器流动传热性能的影响规律研究。(1)建立管壳式换热器换热面泄漏的三维流动传热物理模型:(2)研究泄漏口尺寸对管壳式换热器流动传热性能的影响规律;(3)研究泄漏口位置沿换热器管长方向变化对管壳式换热器流动传热性能的影响规律;(4)研究泄漏口所在换热管沿换热器管径方向变化对管壳式换热器流动传热性能的影响规律;(5)研究泄漏口数量对管壳式换热器流动传热性能的影响规律。潍坊誉金机械对原稳站油行山管壳式换热器实体模型进行简化建模,同时兼顾课题研究的准确性和经济性。(1)建模时保留了折流板,考虑折流板对壳程流体流动和传热的影响。(2)对于传热管壁和折流板的处理采用了FLUEN丁中的薄壁模型,在后续的边界条件设置时可以设定一个给定的壁厚,这样减少了网格数量。(3)管束的_l几封头和下封头没有参与整个换热器的传热和流动,不影响数值计算的结果,因此在建模时将上封头和下封头进行简化处理。在对换热器结构进行建模时,考虑换热器入日和出口部分对于一换热器壳程整体流动特性的影响。由于单弓形折流板管壳式换热器是复杂几何体,网格划分需要采用分块划分的方法,将整个模型划分成入口段、出口段和壳程三部分,进行网格划分。网格为非结构化网格,采用划分的四面体和金字塔网格。在换热器整个壳程,固体砂子的体积分布整体比较均匀,为了数值模拟的方便,本课题忽略大粒径固体砂局部沉积对其浓度分布的影响,将管壳式换热器壳程内部的结垢视为均匀结垢。在换热器整个壳程,固体砂子的体积分布整体比较均匀,为了数值模拟的方便,本课题忽略大粒径固体砂局部沉积对其浓度分布的影响,将管壳式换热器壳程内部的结垢视为均匀结垢。油油管壳式换热器运行一段时间后,壳程侧表面会形成表面污塘层,由以上分析可知,认为其为均构。假设入口来流的速度均勾分布,忽略重力影响,壳体壁面和折流板采用不可滲透、无滑移绝热边界。本课题着重研究管壳式换热器管壁结据对其传热性能的影响,且在实际生产过程中,中含砂率很低,所以在换热器传热性能的影响研究中忽略了换热器内液固两相流的影响,后续的数值模拟研宄中采用单相流模拟。对于单弓形折流板管壳式换热器不同结据厚度的影响分析,鉴于本文所采用的物理模型特征,换热管当量结坂厚度较小,为保证污据层网格质量,模拟对计算机的要求非常高。而当量均拒只为分析结坂对换热器传热性能的影响,本课题忽略结坂对换热器内部流场的影响,只考虑结塘对换热面传热性能的影响。换热器由于处于受压力、介质腐烛性、流动磨烛,尤其是固定管板换热器,还有温差应力,管板与换热管连接处极易泄漏,导致换热器内漏。)
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