热交换器层流区流动数值传热研究

李 晋，刘纪尧

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

中国海油许多油田区块原油黏度高、流动性差，给热交换器设计带来诸多困难，在热交换器的设计时需充分考虑高黏流体的流动及传热特点。笔者在积累大量工程经验和设计实例的基础上，针对海油平台特殊工况，总结出高黏原油热交换器区别于其他常规热交换器设计的不同点，在常规设计计算中，当壳程流体处于层流区（Re≤2300）时，管外对流表面传热系数一般选择一个传热经验公式[1]，这对一般流体适用性较好，但对存在很大径向温差的高黏流体适用性较差，需选择更精确的经验公式。在查阅大量文献的基础上，经过仔细对比分析，发现文献[2]研究结果符合海油平台高黏原油特殊工况：即层流区的流动情况需要分段划分，即横掠顺排管束平均表面传热计算关系式随Re的变化各有不同（Re＜100，100≤Re＜1000以及 1000≤Re＜2300），因此，在设计高黏流体热交换器时，需要根据Re值选择经验公式，得到准确的计算结果。

1 高黏原油热交换器设计物理模型

1.1 实例模型

中国海油许多采油区块原油黏度都很高，选择某典型高黏度的油/油热交换器为研究对象，以此为基础模型，进行对比分析研究并总结经验规律。业主和上游专业提供的设计基础数据如表1所示。

1.2 物理模型

根据1.1的设计基础，结合总体专业要求，建立如图1所示的物理模型，管口方位和管壳程流动方向如图所示。

2 高黏原油热交换器设计数学模型

2.1 基本假设

针对1.2建立的物理模型，为方便模拟计算，做出如下几点假设。

（1）流体为牛顿流体，流体非变形，均匀且各向同性；

（2）壳体外保温良好，流体向大气传热忽略不计；

（3）换热管材料为20#钢，金属导热系数为51.8 W/（m·K）[3]；

（4）管内和管外污垢热阻均为 0.352×10-3m2·K/W[4]；

（5）换热管使用光管，不考虑强化传热技术。

表1 油/油热交换器设计参数

图1 油/油热交换器物理模型

2.2 数学模型

（1）传热基本公式。热交换器传热符合傅里叶定律，以传热管外表面积为准，基本公式见式（1）和式（2）。

式中Q——热负荷，W

A——传热面积（以管外表面积为基准），m2

Ai——管内表面积，m2

Ao——管外表面积，m2

ΔT——有效平均温差，K

K——总传热系数（以换热管外表面积为基准），W/（m2·K）

hi——管内流体对流表面传热系数（以换热管内表面积为基准），W/（m2·K）

ho——管外流体对流表面传热系数（以换热管外表面积为基准），W/（m2·K）

ri——管内流体污垢热阻（以换热管内表面积为基准），m2·K/W

ro——管外流体污垢热阻（以换热管外表面积为基准），

rp——管壁的热阻，m2·K/W（2）管内流体对流表面传热系数。管内流体对流表面传热系数的表达式为式（3）。

式中hi——管内流体对流表面传热系数，W/（m2·K）

λiD——管内定性温度下介质的导热系数，W/（m·K）

do——管外径，m

JHi——管内传热因子，无因次

Pri——管内流体普兰特准数；Pri=（Cpμ/λ）iD

CpiD——定性温度下介质的比热容，J/（kg·K）

μiD——定性温度下介质的黏度，Pa·s

φi——管程壁温校正系数

（3）管外流体对流表面传热系数。管外对流表面流体传热系数，可用（4）式计算。

式中λoD——管外定性温度下介质的导热系数，W/（m·K）

de——换热管当量直径，m

JHo——壳程传热因子

φo——壳程壁温校正系数

εh——旁路挡板传热校正系数

Pro——管外流体普兰特准数

（4）壳程传热因子。参阅文献[2]，层流区管外对流表面传热系数计算采用Zhukauskas关系式，表述如表2所示。

表2 流体横掠顺排管束平均表面传热系数计算关系式

在热交换器设计计算中，传热因子是传热计算中的重要表征参数，依据传热基本关系式，对不同Re对应壳程传热因子进行推导，得到新的计算公式。

①当 1000≤Re≤2300时有（5）式。

式中Reo——管外流体雷诺准数

z——折流板圆缺高度百分数

②当 100≤Re＜1000时有（6）式。

③当Re＜100时有（7）式。

3 原油热交换器传热计算及优化设计

依据前面推导的传热因子公式，利用FORTRAN语言编译相关计算程序，对层流区内选用不同经验公式进行对比分析计算，研究传热因子经验公式对传热性能的影响，并在此基础上，对实例热交换器结构尺寸进行优化设计，得到最优化设计方案。

为方便模拟计算，设定基本参数：换热管直径19 mm；热交换器功率450 kW；折流板间距330 mm；Re在层流区内为变量。根据2.2节（4）推导的3个传热因子公式，研究采用不同经验公式计算所得管外对流表面传热系数的变化趋势，结果如图2所示。由图2可见，相同Re数下，3种不同经验公式计算结果有较大差别，当 Re数为100时，利用公式（5）～（7）计算所得管外对流表面传热系数分别为101.3，119.3和186.9。计算所得热阻分布见图3。可见，在高黏原油热交换器中，原油的传热热阻远大于污垢热阻和管壁热阻，为控制热阻。因此，在此类热交换器设计计算过程中，对流表面传热系数的大小对整台热交换器的设计起决定性作用。

综上，在进行原油热交换器计算时，需根据Re数的大小，分段选择正确合理的经验公式，进而得到准确的计算结果。采用常规依据层流、湍流划分的单一不分段传热经验公式计算会给结果带来较大的偏差。

图3 原油热交换器热阻对比

4 结论

（1）不同经验公式计算结果有较大差别，在进行原油热交换器计算时，需根据层流区Re数的大小，分段选择正确合理的经验公式，进而得到准确的计算结果，对于海洋石油平台用高黏原油热交换器，推荐采用本文推导的3个层流区经验公式。

（2）在高黏原油热交换器中，原油的传热热阻远大于污垢热阻和管壁热阻，为控制热阻。在此类热交换器设计计算过程中，对流表面传热系数的大小对整台热交换器的设计起决定性作用，进一步说明选择精确经验公式的重要性。

［1］钱颂文.热交换器设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］杨世铭,陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，2012.

［3］董其伍.热交换器［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［4］秦叔经.热交换器［M］.北京：化学工业出版社，2002．