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，时 黛



U型管式换热器进口截面流场数值模拟

孙晓盟1，王洪志2，林国庆3*，曲国平1，郝 明4，时 黛5

（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.吉林化工学院机电工程学院，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）

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。

U型管换热器；温度场；速度场；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[1]。U型管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[2]。基于fluent软件在管壳式换热器中具有一定的可行性[3,4]，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

图1 U型管换热器模型

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TECPLOT软件把数值模拟得到的结果进行图像拟合。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[5]：

质量守恒方程：

能量方程：

初始条件

式中：u、u、u—、、三个方向的速度分量,m/s;

—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;

—时间,s。

1.3 网格划分与计算方法

运用GAMBIT对U型管换热器进口截面进行建模和网格划分，网格划分方法为六面体网格。U型管换热器壳体直径为1 300 mm，进口直径为650 mm，进口顶部与壳体距离为150 mm，U型管换热管直径为20 mm，管间距为32 mm，U形换热管根数为564根，外倒流筒数共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10#钢，热流体为HF，密度为0.881 4 kg/m3，热导率为0.045 4 W/(m·K)，动力粘度为1.72×10-5 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/m3，热导率为44.2 W/(m·K)，比热容477 J/(kg·K)；环境压强为101 325 Pa，重力加速度为9.8 m/s2，环境温度为288 K。划分网格如图2所示，网格节点数量约为2.41×106个，采用SIMPLE算法。连续方程和能量方程收敛判据残差分别为10-3和10-6。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

1.4 边界条件

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在流经最上部外导流筒分流流量最大并且流量随着高度的降低依次递减，达到U型管换热器最下端的外导流筒分流出的HF流量越少。由于HF的腐蚀因素与其浓度、温度以及HF流量有关[6, 7]，因此，U型管换热器上部外导流筒进口附近所受腐蚀与其他区域相比较为严重，受损的几率大大增加。

图3(b)为通过计算后得到的U型管换热器截面出口处的速度平均值与时间的曲线。由于出口截面的直径增大，与进口速度相比，出口截面的速度要小很多。随着时间的增加，出口截面速度随之增大。同时，进口初始速度越大，出口截面的速度也越大。

2.2 温度场分布

从图4中可以看出，从U型管换热器[8]上部到下部，温度呈现逐渐升高的趋势并且有一定的温度梯度，这是因为外导流筒位置分布的不同而造成的结果。随着速度的增大，低温区域逐渐减小，高温区域不断扩大。这说明U型管换热器进口速度越大，U型管表面温度越高。

图4 U型管换热器运行3 h对称面温度分布

从图5中分析，U型管换热器壳程上部中心区域温度最低，温度约为309 K。这是因为HF在U型管换热器分流过程中流经U型管换热器壳程上部中心区域的流量较少，这减少了HF与U型管的直接接触，换热效果较其他区域较差。因此，U型管换热器上部中心区域的温度最低。随着U型管换热器进口速度的增大，U型管换热器截面出口等温线向着U型管换热器壳程上部中心移动，309 K的区域逐渐减小，311.5 K的区域增大较为明显，这说明热流体HF的流量增加，会导致U型管换热器内部温度的上升。

2.3 压力场分布

从图6中可以看出，U型管换热器进口速度的增加，U型管换热器内部的压强越大。在U型管换热器内部压强区域从下到上逐渐降低，这是因为在U型管换热器对称面区域，由于U型管换热器对称面壳体下部存在外导流筒。从外导流筒分流出的HF量对U型管换热器中心对称区域起着增大U型管换热器内部压强的作用。由于重力的作用，HF流向U型管换热器上部区域的流量逐渐减少，U型管换热器内部压强也随之降低。

图5 U型管换热器运行3 h出口截面温度分布

图6 U型管换热器运行3h对称面压力分布

从图7中分析，主要压强分布与图6一致，但是在U型管换热器壳程上部存在着一定的负压区域，其进口速度越大，该区域的压强越小。

图7 U型管换热器运行3 h截面出口压强分布

2.4 流场关系

从图8(a) U型管换热器压力损失随时间的关系曲线中分析可知，U型管换热器进口速度越大，压力损失也就越大。U型管换热器刚启动不久，压力损失最大。在运行到0.5~1.5 h区间内，换热器内部压力损失急剧降低。在运行到1.5 h之后，压力损失趋于稳定。

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

从图8(b) U型管换热器出口总传热率随时间的关系曲线中可知，U型管换热器进口速度越大，总传热量越大。随着U型管换热器运行时间的增加，总传热量随之降低，但降低的幅度不大。从图8(c) U型管换热器出口平均温度随时间的关系曲线可知，U型管换热器进口速度越小，出口截面的温度也就越小。在运行1~1.5 h和2.5~3 h区间内，温度降低较快。在运行3 h之内，温度降幅维持在0.6 K以内。

3 结论

（1）对U型管换热器进行CFD数值模拟，提高U型管换热器进口速度，出口截面速度越大，内部压强越大，U型管换热器内部温度将上升，对换热器的换热效果起到一定的积极作用。

（2）U型管换热器进口速度越大，运行时间越长，总传热率越低，出口截面温度越低，出口截面速度越大，压力损失先减小后趋于稳定。

（3）外导流筒离U型管换热器进口处越近，所受的冲刷腐蚀越严重。

［1］王志魁, 化工原理(第三版)[M]. 北京: 化学工业出版社， 2004-10: 187.

［2］王争昪, 王学生, 战洪仁, 等. 浅谈U型管换热器[J]. 广东化工, 2009, 36(10):172-188.

［3］王艳云, 李志安, 刘红禹, 等. FLUENT 软件对管壳式换热器壳程流体数值模拟方法可行性的验证[J]. 管道技术与设备, 2007(6): 46-48.

［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].北京:人民邮电出版社,2010:13-17．

［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镀层耐蚀性的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(4):84-87．

［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].中国安全生产科学技术,2012,8(7):148-151．

Numerical Simulation of U- tube Heat Exchanger Inlet Section Flow Field

1,2,3,1,4,5

（1.Changchun Special Equipment Inspection and Research Institute, Jilin Changchun 130011, China; 2.Shenyang Longchang pipeline inspection center, Liaoning Shenyang 110000,China; 3. School of Mechanical and Electrical Engineering ,Jllin Institute of Chemical Technology,Jilin Jilin132022, China; 4.North Huajin Chemical Industries Group Corporation, Liaoning Panjin 124000, China; 5. College of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University for the nationalities, Inner Mongolia Tongliao 028000, China）

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 the model.Based on this, the pressure field, temperature field and velocity field of the U type heat exchanger were discussed. The results show that, increasing inlet velocity of hot fluid in the U type heat exchanger, for one thing ,can increase heat exchange; for another, the longer the running time, the lower the internal temperature of the heat exchanger,the higher the outlet velocity, the lower the total heat transfer rate, the pressure loss first decreases and then tends to stability; corrosion erosion effect in all regions of U type heat exchanger is enhanced, especially the area between the U type heat exchanger inlet and the casing wall.

U-tube heat exchange；Temperature field；Velocity field；Fluent

TQ 051.7

A

1671-0460（2014）06-1117-04

2013-11-02

孙晓盟（1985-），男，吉林长春人，助理工程师，2009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定技术：从事特种设备检验检测工作。E-mail：15943090361@139.com。

林国庆（1986-），男，助教，硕士研究生学历，研究方向为过程装备安全评定技术及能源工程。E-mail：lgq0726@126.com。