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。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。為此，國(guó)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。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(guò)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(wú)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(cè)的前提條件。

一種管殼式換熱器殼程單相流動(dòng)和傳熱的三維模擬方法，用體積多孔度、表面滲透度、分布阻力和分布熱源來(lái)考慮殼程復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)造成的流道縮小和流動(dòng)阻力、傳熱效應(yīng)，通過(guò)數(shù)值求解平均的流體質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程，得到殼程流動(dòng)和換熱的分布。DeBF和CatalanoLA等人近提出一個(gè)新型沉浸粒子換熱器，它使用非常小的固體顆粒作為中間媒介來(lái)執(zhí)行兩個(gè)氣體在不同的溫度之間流動(dòng)的熱傳導(dǎo)，開發(fā)了一種一維模型的理論計(jì)算換熱管長(zhǎng)度，確保規(guī)定的熱交換和評(píng)價(jià)粒子特性的影響。對(duì)上述提到的三維數(shù)值模擬方法也有過(guò)類似的研究。   實(shí)驗(yàn)方法研究了空氣在具有3種不同管徑19,25. 32mm的波紋管內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性。管外壁采用電加熱，來(lái)模擬均勻熱流條件，測(cè)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(cè)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。

對(duì)換熱器進(jìn)行不同工況分析，研究不同工況下?lián)Q熱器的換熱性能。并編寫換熱器的沸騰用戶自定義（模型，將模型導(dǎo)入軟件。對(duì)管殼式換熱器強(qiáng)化管外傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研宄，提出并分析了一種新型的傳熱強(qiáng)化元件——旋流片作為管殼式換熱器管隙間支撐物的傳熱強(qiáng)化機(jī)理。分析換熱器出現(xiàn)沸騰工況下內(nèi)部蒸汽的流動(dòng)情況，并根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的研究提出對(duì)換熱器的改進(jìn)措施。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可知，研究的自然循環(huán)換熱器能及時(shí)有效排出堆芯余熱，雖然模擬值和設(shè)計(jì)值之間有一定誤差，但是誤差很小不影響對(duì)換熱器模擬結(jié)果的分析。換熱器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使換熱器局部產(chǎn)生了“傳熱死區(qū)”和“流動(dòng)死區(qū)”，這些死區(qū)的存在影響了換熱器內(nèi)自然循環(huán)的形成。當(dāng)換熱器傳熱進(jìn)行一段時(shí)間后換熱器內(nèi)的殼側(cè)溫度會(huì)達(dá)到飽和出現(xiàn)沸騰，沸騰產(chǎn)生的大量蒸汽在換熱器的“尖角”處聚，會(huì)對(duì)換熱器內(nèi)流體的傳熱和流動(dòng)特性產(chǎn)生影響。

基于進(jìn)出口動(dòng)態(tài)參數(shù)的管殼式換熱器內(nèi)部故障診斷預(yù)測(cè)研究。      

(1)基于進(jìn)出口動(dòng)態(tài)參數(shù)，建立管殼式換熱器結(jié)垢厚度和泄漏量的理論評(píng)價(jià)模型，給出評(píng)價(jià)模型的求解方式;    

(2)基于分公司某大隊(duì)管殼式換熱器運(yùn)行過(guò)程中的進(jìn)出口動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析換熱器內(nèi)部運(yùn)行狀況，利用管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏的理論預(yù)測(cè)模型進(jìn)吝分析，給出預(yù)測(cè)模型應(yīng)用誤差。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。    油田原穩(wěn)站油一油管殼式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，采用數(shù)值模擬研究時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，采用CFD前處理軟件很難對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為便于研究分析，本課題在研究的過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際換熱器進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理。    

本文主要研究管壁污垢對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律。換熱器體積巨大，換熱管直徑與換熱器長(zhǎng)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?？紤]管壁污垢?jìng)鳠岬挠绊?，將污垢?dāng)量到管殼式換熱器的換熱管壁，建立管殼式換熱器的三維流動(dòng)傳熱模型。在此基礎(chǔ)上，建立了管殼式換熱器內(nèi)兩相流(油一砂)數(shù)學(xué)模型一混合模型，包括質(zhì)量守恒方程、混合模型的動(dòng)量方程、第二相的體積分?jǐn)?shù)方程、相對(duì)(滑流)速度和漂移速度方程，采用有限體積法離散模型，使用穩(wěn)態(tài)、隱式、分離式求解器，基于交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法解決速度壓力藕合問題，研究中砂對(duì)換熱器殼程流場(chǎng)的影響，并分析結(jié)垢厚度對(duì)管殼式換熱器管程、殼程出口溫度和傳熱系數(shù)等參數(shù)的影響。