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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。Ozkaya和Aradag等人[4]利用CFD軟件數(shù)值模擬研究了V字形密封板式換熱器的流動(dòng)傳熱特性，模擬不同進(jìn)出口溫度和質(zhì)量流率的工況，得到了換熱器冷端和熱端的出口溫度和壓降，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了不同努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)的相關(guān)性。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。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。

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。其中，計(jì)算傳熱學(xué)模型中的瑞流擴(kuò)散系數(shù)是利用溫度方差和溫度方差耗散率來求解，而不是利用通常采用的數(shù)假設(shè)值或?qū)嶒?yàn)測定值來求解。管外壁采用電加熱，來模擬均勻熱流條件，測得了不同工況下各種管徑的平均對(duì)流換熱系數(shù)和阻力系數(shù)，擬合出了所測的參數(shù)范圍內(nèi)的阻力和換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，并比較了相同管徑的波紋管和光管的換熱效果。分析換熱器的物理模型，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕謩e對(duì)換熱器的管側(cè)和殼側(cè)的溫度場進(jìn)行分析，研宄傳熱管束內(nèi)部的傳熱過程，同時(shí)分析換熱器殼側(cè)不同位置處的換熱情況。對(duì)換熱器的出口平均溫度進(jìn)行分析，分析出口平均溫度與設(shè)計(jì)溫度之間的誤差，評(píng)價(jià)換熱器的換熱性能。對(duì)換熱器殼側(cè)的速度場進(jìn)行研究，分析換熱器的結(jié)構(gòu)對(duì)自然循環(huán)的影響，并提出相關(guān)的意見對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化分析。

采用的模型為大慶油田分公司原穩(wěn)站生產(chǎn)用油一油管殼式換熱器，內(nèi)部流通介質(zhì)為，內(nèi)部含有細(xì)沙等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)也是導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部結(jié)垢的主要因素。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。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。綜合油一油管殼式換熱器此特點(diǎn)，本課題著重研究換熱器殼程側(cè)的結(jié)垢。 

根據(jù)大慶油田分公司原穩(wěn)站油一油管殼式換熱器實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸，該換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，折流板、換熱管數(shù)量眾多，換熱管直徑0.032m，殼程直徑1.4m，換熱器長度為1 Om。殼程為沙子和的兩相流動(dòng)，沙子的粒徑根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)大約在0。換熱器體積巨大，換熱管直徑與換熱器長度的比值小，利用CFD前處理軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格處理困難，網(wǎng)格數(shù)量太多，對(duì)計(jì)算機(jī)配置的要求非常高。