[发明专利]一种管壳式换热器在结垢状态下的传热特性的模拟方法

说明书

本发明公开了一种管壳式换热器在结垢状态下的传热特性的模拟方法，包括以下步骤：S1、建立管壳式换热器固体计算域模型；S2、读取建立好的管壳式换热器的三维模型，填充生成管程和壳程流体计算域模型；S3、读取管壳式换热器固体计算域和流体计算域模型，对整个计算域进行网格划分，生成网格文件；S4、建立一种可求解换热管和折流板的等效导热系数的计算模型，得到管壳式换热器换热管和折流板在结垢状态下的等效导热系数；S5、读取网格文件，设置固体和流体计算域的物质属性和边界条件，进行求解计算直至收敛；S6、进入后处理器观察和分析计算结果，获得到管壳式换热器管程、壳程温度分布情况。

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，特别涉及一种管壳式换热器在结垢状态下的传热特性的模拟方法。

背景技术

换热器能合理地调节工作介质温度满足工艺流程的需求、回收利用余热、废热，广泛应用于化工、石油、制药等领域。由于管壳式换热器具有设计加工工艺成熟、结构简单、安全可靠、适应性强等特点，应用最为广泛。由于换热器的长期使用，在热交换壁面会形成一定厚度的污垢或水垢，污垢产生的热阻还严重影响换热器的换热效率。污垢不仅对换热器造成堵塞，还会腐蚀换热管壁，从而导致壁面穿孔和物料泄漏，甚至产生爆炸。为消除由结垢产生的安全隐患，设备管理部门每年都对换热器进行清洗、疏通作业。目前尚无有效手段快速地评价换热器的结垢对换热器换热效果的影响，导致需要针对每一台换热器进行处理，造成管理成本的增加。

近年来，国内外学者为此相继开展了污垢热阻影响换热器传热性能的研究。Ozden等在文献《Computational analysis of fouling by low energy surfaces》(低能表面结垢的计算分析)中利用Fluent软件对乳制品在换热管内结垢问题进行了数值模拟；Owen等在文献《Theoretical analysis of the thermal resistance of non-uniform foulingon cross-flow heat exchanger tubes》(横流换热器管内不均匀结垢热阻的理论分析)中编制了有限差分程序以预测换热器管表面非均匀结垢对传热性能的影响；刘洋在文献《基于有限单元法的污垢等效导热系数计算》中基于多孔介质模型和有限元法，提出了一种污垢等效导热系数的计算方法；吴国忠等在文献《结垢对管壳式换热器流动换热影响研究》中建立了管壳式换热器三维的简化模型对传热过程进行了数值模拟，得知结垢侧进出口压降增加，换热性能降低。

目前，尽管国内外学者对换热设备污垢的做了大量的研究，但大部分工作主要是针对换热器单侧管污垢的传热问题，缺乏管内外同时有污垢的一般规律性研究，同时现有的计算机硬件难以对含有污垢的换热器进行传热计算模拟分析。因此，本文选取一常用的管壳式换热器为研究对象，建立一种可求解换热管和折流板的等效导热系数的计算模型，通过计算得到换热管和折流板在结垢状态下的等效导热系数，将其设置为仿真模拟计算的材料属性；在操作工况下对管程和壳程同时进行流动传热的数值模拟，研究换热器管程内外以及折流板上污垢的对流和热传导问题；为换热器的优化设计及应用提供技术支持。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种管壳式换热器在结垢状态下的传热特性的模拟方法。采用三维数字化建模软件，充分考虑研究对象的各项信息特征，建立更符合实际的管壳式换热器的三维几何模型；建立一种可求解换热管和折流板的等效导热系数的计算模型，得到换热管和折流板在结垢状态下的等效导热系数，将其设置为仿真模拟计算的材料属性；运用 Fluent软件对管程和壳程同时进行流动传热的数值模拟分析，以此解决换热器管程内外以及折流板上结垢的对流和热传导问题，极大地提高了计算的效率，节约了研究的成本，提高了研究过程的安全性；系统高效地分析了管壳式换热器在结垢状态下管程和壳程的温度分布情况，为换热器的优化设计及设备管理提供技术支持。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种管壳式换热器在结垢状态下的传热特性的模拟方法，包括以下步骤：

S1、使用三维数字化建模软件建立管壳式换热器固体域三维模型；