加装管端隔热层提高换热器安全性的模拟研究_张准顺.pdf
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1、第43卷 第2期2023 年4月投稿网址:http:/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITYVol.43 No.2Apr.2023加装管端隔热层提高换热器安全性的模拟研究张准顺1,郭强2,马贵阳1,李洋1,3,陈红伟1(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院,辽宁 抚顺 113001;2.辽宁绿源能源环保科技集团有限责任公司,辽宁 营口 115000;3.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)摘要:提出了一种通过在换热管入口端加装管端隔热层来提高管壳式换热器安全性的方法。基于SIMPLE 算法,
2、建立了三维管壳式换热器的端部温差瞬态变化模型,研究了隔热层厚度、隔热层材质对换热器安全性的影响。结果表明,与无管端隔热层的换热管相比,加装管端隔热层时,不管是加装何种材质的管端隔热层,换热管两侧温差均明显降低;管端隔热层的厚度及隔热层材料的导热系数越大,换热管两侧温差降幅、瞬时热冲击应力及温差热应力降幅越大,换热器的安全性越高;当管端隔热层厚度为 247.5 mm、导热系数为 2.090 0 W/(mK)时,换热管两侧最大瞬时温差可降低 10.1%,稳定工作时最大温差可降低 12.5%,瞬时热冲击应力和温差热应力可分别降低 10.1%和 12.5%。关键词:换热器;隔热层;安全性;热应力中图分
3、类号:TQ05;TK172 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.16726952.2023.02.011Simulation Study on Improving the Safety of Heat Exchanger by Adding Thermal Insulation Layer at the Pipe EndZhang Zhunshun1,Guo Qiang2,Ma Guiyang1,Li Yang1,3,Chen Hongwei1(1.College of Petroleum Engineering,Liaoning Petrochemical Universi
4、ty,Fushun Liaoning 113001,China;2.Liaoning Lvyuan E.&E.Tech.Group Ltd.,Yingkou Liaoning 115000,China;3.School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150001,China)Abstract:This paper proposed a method to improve the safety of shell and tube heat exchanger
5、s by adding a heat insulation layer at the inlet end of the heat exchange tube.Based on the SIMPLE algorithm,the transient change model of end temperature difference of threedimensional shell and tube heat exchanger was established,and the effects of the changes of insulation thickness and insulatio
6、n material on the safety of heat exchanger were compared.The results show that the temperature difference between the two sides of the heat exchange tube is significantly reduced when the pipe end insulation layer is installed,regardless of the material of the pipe end insulation layer;The greater t
7、he thickness of the insulation layer at the pipe end and the thermal conductivity of the insulation material,the greater the reduction of temperature difference,instantaneous thermal shock stress and temperature difference thermal stress on both sides of the heat exchange tube,and the higher the saf
8、ety of the heat exchanger;When the thickness of the pipe end insulation layer is 247.5 mm and the thermal conductivity is 2.090 0 W/(mK),the maximum instantaneous temperature difference on both sides of the heat exchange pipe can be reduced by 10.1%,the maximum temperature difference can be reduced
9、by 12.5%during stable operation,and the instantaneous thermal shock stress and temperature difference thermal stress can be reduced by 10.1%and 12.5%.Keywords:Heat exchanger;Heat insulation layer;Safety;Thermal stress管壳式换热器由于具有结构简单、便于制造、设计工艺可靠、安装拆卸相对便捷等一系列优点,在石油化工、电力、热力锅炉等诸多领域中得到了广泛应用12。目前,管壳式换热器在市场
10、中所占份文章编号:16726952(2023)02006705收稿日期:20220120 修回日期:20220311基金项目:科技部重点专项资助项目(SQ2020YFF0416628);“抚顺英才计划”青年拔尖人才资助项目(FSYC202107007)。作者简介:张准顺(1998),男,硕士研究生,从事换热器强化传热技术与节能技术方面的研究;Email:。通信联系人:马贵阳(1965),男,博士,教授,博士生导师,从事计算流体力学、埋地管道水力和热力问题、高效换热设备等方面的研究;Email:。辽宁石油化工大学学报第 43 卷额已经达到了 35%40%,因此分析管壳式换热器的温度场对换热器安全
11、性的影响具着积极的现实意义。在管壳式换热器中,换热管两侧的热流体与冷流体之间的温差很大,而温差引起的温差热应力、瞬时热冲击应力和电泳现象均会对换热管产生一系列消极影响3。在现实工况下,管壳式换热器中受影响最大的位置常位于换热管入口端端部。这些消极影响主要体现在以下三个方面:在换热器的管端焊接部位,会发生内压应力和温差热应力的叠加46,加大塑性变形发生的几率;在换热管入口端端部,较大的温差会引起热冲击现象的发生7,使换热管受到极大的瞬时热冲击应力,加大换热管发生晶间开裂的几率;在换热器的流道内,由温差引起的温差电动势会使换热器产生电泳现象,使壳程内产生污垢,造成换热器堵塞、换热系数降低,不仅增加
12、能耗,而且降低安全性。本文针对换热器中换热管热流体进口端的安全性问题,基于 SIMPLE 算法(求解压力耦合方程组的半隐式方法),建立三维管壳式换热器端部温差瞬态变化模型,研究了换热管的位置、管端隔热层材料厚度和导热系数对换热管端部温差的影响,并提出了一种提高换热器安全性的方法。1 数理模型 1.1 物理模型管壳式换热器(换热器,下同)的主要结构包括壳体、换热管和折流板等三部分,换热管呈正三角形分布。通过 SolidWorks 软件构建换热器的物理模型8。换热器的主要结构参数见表 1,管端隔热层的布置方式如图 1所示。1.2 数学模型换热器在运行时,换热管内的水蒸气通过换热管向壳程内的水传递热
13、量,最后在换热管内冷凝成液态水。水蒸气的相变传热是一个复杂的过程,因此对模型进行简化处理:换热器内单相流体的物理性质稳定,热容、密度、导热系数等物性参数不变;换热器的换热管、折流板和壳体的导热系数为恒定值;忽略辐射换热对模型的影响。根据模型的简化处理结果,采用流体体积函数模型(Volume Of Fluid Model,VOF 模型)进行计算;气、液相的体积分数之和为 1。控制方程见式(1)(3)911。t+(v)=0(1)t(E)+v(E+p)=(keffT)+Sh(2)t(v)+(vv)=-p+(v+vT)+g+F(3)式中,为流体密度,kg/m3;t 为时间,s;v为速度矢量,m/s;E
14、 为能量,J;T 为流体温度,K;p 为流体压力,Pa;keff为有效热传导系数,W/(mK);Sh为黏性耗散项;F 为流体质量力,N;为流体动力黏度,Pas;g为重力加速度,g/s2。1.3 网格划分换 热 器 整 体 是 对 称 式 结 构,使 用 ICEM 软件1213进行网格划分,采用非结构性的四面体网格。换热器的网格示意图如图 2所示。1.4 模型的边界条件及求解模型的边界条件设置如下:换热器壳程及管程的入口边界设置为 InletVelocity,出口边界设置为OutletVent;壳程及管程入口速度分别为 0.4、2.5 m/s;壳程及管程入口温度分别为 283.15、493.15
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