管壳式换热器瞬态换热性能分析
2021-01-09
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第28卷第12期2007年12月哈尔滨工程大学学报JournalofHarbinEngineeringUniversityv0L28№.12Dlec.2007管壳式换热器瞬态换热性能分析孙宝芝,曹民侠,赵嘉明,李彦军(哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:通过理论分析,分别以壳程流体、管程流体、管内外壁为研究对象,建立了管壳式换热器瞬态换热数学模型.模型中很好地解决了顺流和逆流同时存在的问题.在此基础上借助于仿真手段对管壳式换热器的瞬态换热性能进行分析,为了减小线性化方法带来的误差以及提高计算的准确度,仿真计算时所采用的数学模型未进行线性化处理,而直接采用非线性化方程进行程序编写.仿真结果与换热器实际运行数据吻合很好,说明所建立的数学模型可用于同类换热器瞬态换热性能分析.通过对换热器瞬态换热性能的分析,可清楚地了解换热器的动态换热特性,为换热器设计及控制提供理论依据.关键词:管壳式换热器;瞬态换热;数学模型;换热性能中图分类号:TKl24文献标识码:A文章编号:1006—7043(2007)12—1332一05Analysisofthetransientheattransferperformanceofshell-and—tubeheatexchangersSUNBa0-zhi,CA0Min-xia,ZHAOJia—ming,LIYan-jun(CollegeofPowerandEnergyEngineering,HarbinEngineeringUniVersity,Harbin150001,ChiIla)Abstract:Mathematicalmodelsoftransientheattransferinshell一and—tubeheatexchangersareestablishedinthispaperthroughtheoreticalanalysis,withtheshellsidefluid,thetubesidefluid,theouterwalls,andtheinnerwallsofthetubeasresearchsubjectsrespectively.Newlyproposedmathematicalmodelssolveproblemsinvolvingsimultaneousforwardandbackwardflow.0nthatbasis,thetransientheattrans—ferperfomanceofsheU—and-tubeheatexchangerswassimulated.Inordertoreduceerrorsfroma1inear—izationapproachandimprovetheaccuracyofcaIculation,nonlinearequationswereused.Theresultsofnumericalsimulationcalmodelcanagreeonwellwithoperatingdatafromheatexchangers,suggestingthatthemathemati—tobeusedsimilarheatexchangersanalyzetheirtransientheattransferperformance.Thecanadynamicheattransferperfomanceofheatexchangersbeunderstoodclearlythroughanalysisoftheirtheoreticalfoundationfordesignandcontroloftransientheattransferperfonnance,therebyprovidingheatexchangers.Keywords:shell—and_tubeheatexchanger;transientheattransfer;mathematicalmodel;heattransferperfom管壳式换热器是石油、化工生产中广泛使用的换热设备,应用非常广泛,并且技术已经很成熟,通常换热器设计及热计算大多仅考虑稳态工况,但有些换热器处于间歇工作状态,换热器工作时将有大量的流体在很短的时间内流过而被冷却(或加热)到收稿日期:2007一04—11.作者简介:孙宝芝(1971一),女,教授,E-rmil:sunbaozhi@hrbeuedll.cn.要求的温度,且在1个工作周期内,流体的流量也会发生较大的变化,因此换热器是在瞬态工况下工作的.通常管壳式换热器(生产中最常用)计算所用的数学模型是将换热器简化为逆流(或并流)操作的单管程单壳程换热器[1],这种假设与换热器实际情况差别较大.Roppo[2]和Correa[31利用有限元法研究了多管程换热器的动态阶跃响应.在此基础上,W.Roetzel[4]建立了"管程单壳程换热器的数学模型,万方数据 第12期孙宝芝,等:管壳式换热器瞬态换热性能分析利用拉氏变换研究了换热器入口温度波动对出口温度的动态影响,但该模型不能反映流量波动对出口温度的影响,而且也没有考虑热流量随进口温度和流量的变化而变化的关系.传统的计算方法在进行计算时,需要对数学模型进行线性化处理.线性化处理是利用泰勒级数展开,舍去2阶及其以后的高阶项,这样会带来舍人误差[5-8].文中利用Matlab/Simulink对数学模型直接建立仿真模块并编程,不仅使模型简单,易于编程,而且使计算结果更加准确.该文以1—2型管壳式换热器为研究对象,针对其瞬态工作过程建立换热器瞬态换热数学模型,并借助于仿真手段,进行换热器瞬态换热性能分析.1换热器工作状况,图1所示为一双管程单壳程换热器,有效长度为L,管程流体和壳程流体之间首先是逆流换热,然后是并流换热.换热器1个工作周期分为2个阶段,第1阶段管壳程流体都处于流动状态,持续20s,第2阶段壳程流体不流动,而管程流体流动,继续对壳程流体进行冷却,持续40s.换热器壳程流体流量随时间变化曲线如图2所示.图1换热器简图Fig.1Thesketchofheatexchanger、gQ图2换热器壳程流量随时间变化曲线Fig.2ThesheUsideflowofheatexcllangertinle2换热器瞬态换热数学模型如图3所示,对于其中的某一段微元如,同一壳程流体温度兀,分别对应不同的逆流换热T2.-、L,t、瓦,,以及并流换热疋’2、L.2.进行换热器瞬态换热性能分析基于以下几点:万 方数据1)流体流动接**推流状态,流体1和流体2都没有轴向混合,属于分布参数系统;2)流体以及换热管的物性参数为常数;3)同一截面上各点温度相同;4)管程逆流换热流体出口温度等于并流换热流体进口温度;5)换热器内同一管程的所有并联金属管简化为一根等效的传热管,其流通面积为并联各管的流通面积之和.mI,%五砸I研2,c,:,疋M臃2,0,,死伽l埘l,0。,五Ⅲ图3换热器数学模型简图Fig.3The啪themticalmodelofheatexchanger在以上简化假定下,分别以壳程流体、管外壁、管内壁、管程流体为研究对象,建立其瞬态换热的数学模型如下:壳程流体:·————二二————————一:=———二·—-——二:—————-——~+———————————_二●aTl(z,f)m】aT1(二r,£)IKo行7耐oa£Mlaz’朋lcpl[T乙,1(z,£)+T乙,2(z,f)一2L(z,£)].(1)管外壁逆流:曼&兰:堕一呈翌巫[垦:!!兰:!)二玉兰!幽一a£鬻[k。∽_T缸∽].(2)M∥一ln(以/di)管外壁并流:坌玉:2a£1墨!堕一;丝巫[曼:!!兰!!)二&:;!兰!123一嚣[L“蹦)_Tt(州)].(3)M∥pln(d。/di)管内壁逆流:曼&兰!堕:=!翌塑[玉兰!!)二玉兰!幽一-a£M∥pln(矗。/di)畿[%(蹦)一‰(州)].(4)管内壁并流:曼&兰!堕一二!堡巫[曼:21兰!堕二玉:!!兰!幽一_a£畿[T2.2(蹦)一k(州)].(5)M∥pln(比/么)哈尔滨工程大学学报第28卷管程流体逆流:曼互兰:堕:一丝曼垦兰!堕一必.atM2azM2c砣?[T2.1(z,£)一L,1(z,£)].(6)管程流体并流:曼互:z!兰!堕一丝曼互:!!兰!堕一蟛.a£MjazM2fD2。[Tz,2(z,£)一L,2(z,f)].(7)式中:d。、di分别为换热管的内、外径,m;%为壳程流体比热容,J/(kg·K);c此为管程流体的比热容,J/(kg·K);o为换热管的比热容,J/(kg·K);K。、Ki分别为壳程、管程的给热系数,W/(m2·K);优,、mz分别为壳程和管程流体流量,kg/s;Ml、Mj、心分别为壳程、管程流体和换热管单位长度的质量,kg/m;"为换热管的数目;A为换热管的导热系数[9|.为零,数学模型中除无式(1)中的嚣掣项外,以上为第1阶段数学模型.第2阶段由于m。其他与第1阶段相同.为了更精确地计算换热器的动态过程,考虑到流量对给热系数的影响,将管壳程给热系数表述为流量的函数:忘一蒜莽+R0,Klm2。6…”(8)…K。志一荔务+R“(9)…KiK2m妒。一”式中:肛眦3爱(志)0’6(警)V3棚。,Kz吼蚴寥(鑫)n8(警)0’4.Ⅲ,式中:P,、∥z为壳程、管程流体的粘度,kg/(m·s);A。、A:为壳程和管程流体的热导率,w/(m·K);R0、R为壳程和管程的结垢热阻,m2·K/W;Si为换热器管程流动截面积,m2;Sf、S。为折流板结构参数,m2.阶段二壳程流体为自然对流换热,给热系数的计算公式为D一哗.(12)式中:Gr为格拉晓夫数;口为热膨胀系数,K_1;&为温差,℃;Z为特征长度,m;秒为流体的运动粘度,心}s.N矗=C(G}·P})”.(13)式中:N“为奴塞尔数;P,.为普朗特数,Pr一半;c、万 方数据疗为常数,当流体流动为层流时C一1.09,行=1/6,适应范围Gr·Pr<104;过渡时C—O.53,竹=0.25,适应范围104≤Gr·Pr<109;湍流时C=O.13,行=1/3,适应范围109≤Gr·Pr<1012(见文献[10]).3仿真结果及分析图4、5分别为油液及海水温度在不同时刻随z(沿换热器轴向流动方向的离散点,间距为18mm,下同)的变化曲线,为使图线较清晰,图中只给出壳程流体(油液)在5、lO、15、20、40、60s这6个时刻的温度变化曲线,管程流体(海水)在10、20、40、60s这4个时刻的温度变化曲线.由图可见,沿油液流动方向,随着油液的向前流动,油液逐渐被海水冷却温度降低.油液冷却器的1个工作周期内,第1阶段沿油液流动方向出现2个换热规律不同的区域,在油液的进口附近,由于受油液入口温度的影响,油液的温度随时间的推移有升高的趋势;而在出口区域,油液的温度随时问的推移逐渐降低,且随时间的延长,油液人口温度影响的范围逐渐扩大.第2阶段油液的温度随时间的推移逐渐降低,60s时温度降至最低.图4壳程流体温度随z变化曲线Fig.4Thetemperatureofshellsidefluidzindifferenttime图5管程流体温度随z变化曲线Fig.5Thetemperatureoftubesidefluidzindifferenttime巴!尊要流体及海水温度随z和时间变化曲线№6Thetem嘞ture。fsheJJSiZ赢蒜亍署筌羹老豫黔筻壁的温磊巍毳嚣嚣菜篱豁蝥登銎由黧量函磊聂菇菘美管外壁温度高于管内壁温度.…”“H钥眄小’因此瞄的宴二釜蓑2:s。跫油液、海水、管内外壁温度。。,图8出口温度随时间变化曲线R邮ThecurVeSofoutlette≤::嚣。…。ime图7F;第紫海水潮外壁温度随士及时间变化曲线腿7net唧eratureofwat。。andi11nerandoutershellsij。淼i=臻waIIversusz万方数据 ·1336·哈尔滨工程大学学报第28卷图9热流量随时间变化曲线Fig.9Thecunreofheatfluxtime4结论该文通过理论分析,建立了换热器瞬态换热数学模型,借助于仿真手段,对换热器的瞬态换热性能进行分析,所得结论如下:1)沿油液流动方向,随着油液的向前流动,油液逐渐被海水冷却温度降低.在油液冷却器的1个工作周期内,第1阶段,在进口油液影响范围内,油液的温度随时间推移有所升高,而在出口附近,油液的温度随时间的推移而降低;第2阶段,油液的温度随时间的推移逐渐降低,60s时温度降至最低.2)由于被油液加热,海水温度沿流动方向逐渐升高,逆流时升高幅度较大,而在顺流时温升速率较小.随着时间的推移,第1阶段海水被加热温度升高,而在第2阶段,海水的温度随时间的推移逐渐降低.3)流量的变化规律在很大程度上决定了换热规律.第1阶段受油液流量变化的影响,换热量随时间的推移先迅速增加而后减小;第2阶段,油液侧的换热r}1强制对流转变为自然对流,换热减弱,但由于油液与海水间温差的增大,换热量有一个缓慢上升的过程.4)数值模拟结果与换热器实际运行数据吻合很好,说明所建立的数学模型可用于同类换热器瞬态换热性能分析.万 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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
孙宝芝, 曹民侠, 赵嘉明, 李彦军, SUN Bao-zhi, CAO Min-xia, ZHAO Jia-ming,LI Yan-jun
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