熱交換器層流區流動數值傳熱研究

李 晉，劉紀堯

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

0 引言

中國海油許多油田區塊原油黏度高、流動性差，給熱交換器設計帶來諸多困難，在熱交換器的設計時需充分考慮高黏流體的流動及傳熱特點。筆者在積累大量工程經驗和設計實例的基礎上，針對海油平臺特殊工況，總結出高黏原油熱交換器區別于其他常規熱交換器設計的不同點，在常規設計計算中，當殼程流體處于層流區（Re≤2300）時，管外對流表面傳熱系數一般選擇一個傳熱經驗公式[1]，這對一般流體適用性較好，但對存在很大徑向溫差的高黏流體適用性較差，需選擇更精確的經驗公式。在查閱大量文獻的基礎上，經過仔細對比分析，發現文獻[2]研究結果符合海油平臺高黏原油特殊工況：即層流區的流動情況需要分段劃分，即橫掠順排管束平均表面傳熱計算關系式隨Re的變化各有不同（Re＜100，100≤Re＜1000以及 1000≤Re＜2300），因此，在設計高黏流體熱交換器時，需要根據Re值選擇經驗公式，得到準確的計算結果。

1 高黏原油熱交換器設計物理模型

1.1 實例模型

中國海油許多采油區塊原油黏度都很高，選擇某典型高黏度的油/油熱交換器為研究對象，以此為基礎模型，進行對比分析研究并總結經驗規律。業主和上游專業提供的設計基礎數據如表1所示。

1.2 物理模型

根據1.1的設計基礎，結合總體專業要求，建立如圖1所示的物理模型，管口方位和管殼程流動方向如圖所示。

2 高黏原油熱交換器設計數學模型

2.1 基本假設

針對1.2建立的物理模型，為方便模擬計算，做出如下幾點假設。

（1）流體為牛頓流體，流體非變形，均勻且各向同性；

（2）殼體外保溫良好，流體向大氣傳熱忽略不計；

（3）換熱管材料為20#鋼，金屬導熱系數為51.8 W/（m·K）[3]；

（4）管內和管外污垢熱阻均為 0.352×10-3m2·K/W[4]；

（5）換熱管使用光管，不考慮強化傳熱技術。

表1 油/油熱交換器設計參數

圖1 油/油熱交換器物理模型

2.2 數學模型

（1）傳熱基本公式。熱交換器傳熱符合傅里葉定律，以傳熱管外表面積為準，基本公式見式（1）和式（2）。

式中Q——熱負荷，W

A——傳熱面積（以管外表面積為基準），m2

Ai——管內表面積，m2

Ao——管外表面積，m2

ΔT——有效平均溫差，K

K——總傳熱系數（以換熱管外表面積為基準），W/（m2·K）

hi——管內流體對流表面傳熱系數（以換熱管內表面積為基準），W/（m2·K）

ho——管外流體對流表面傳熱系數（以換熱管外表面積為基準），W/（m2·K）

ri——管內流體污垢熱阻（以換熱管內表面積為基準），m2·K/W

ro——管外流體污垢熱阻（以換熱管外表面積為基準），

rp——管壁的熱阻，m2·K/W（2）管內流體對流表面傳熱系數。管內流體對流表面傳熱系數的表達式為式（3）。

式中hi——管內流體對流表面傳熱系數，W/（m2·K）

λiD——管內定性溫度下介質的導熱系數，W/（m·K）

do——管外徑，m

JHi——管內傳熱因子，無因次

Pri——管內流體普蘭特準數；Pri=（Cpμ/λ）iD

CpiD——定性溫度下介質的比熱容，J/（kg·K）

μiD——定性溫度下介質的黏度，Pa·s

φi——管程壁溫校正系數

（3）管外流體對流表面傳熱系數。管外對流表面流體傳熱系數，可用（4）式計算。

式中λoD——管外定性溫度下介質的導熱系數，W/（m·K）

de——換熱管當量直徑，m

JHo——殼程傳熱因子

φo——殼程壁溫校正系數

εh——旁路擋板傳熱校正系數

Pro——管外流體普蘭特準數

（4）殼程傳熱因子。參閱文獻[2]，層流區管外對流表面傳熱系數計算采用Zhukauskas關系式，表述如表2所示。

表2 流體橫掠順排管束平均表面傳熱系數計算關系式

在熱交換器設計計算中，傳熱因子是傳熱計算中的重要表征參數，依據傳熱基本關系式，對不同Re對應殼程傳熱因子進行推導，得到新的計算公式。

①當 1000≤Re≤2300時有（5）式。

式中Reo——管外流體雷諾準數

z——折流板圓缺高度百分數

②當 100≤Re＜1000時有（6）式。

③當Re＜100時有（7）式。

3 原油熱交換器傳熱計算及優化設計

依據前面推導的傳熱因子公式，利用FORTRAN語言編譯相關計算程序，對層流區內選用不同經驗公式進行對比分析計算，研究傳熱因子經驗公式對傳熱性能的影響，并在此基礎上，對實例熱交換器結構尺寸進行優化設計，得到最優化設計方案。

為方便模擬計算，設定基本參數：換熱管直徑19 mm；熱交換器功率450 kW；折流板間距330 mm；Re在層流區內為變量。根據2.2節（4）推導的3個傳熱因子公式，研究采用不同經驗公式計算所得管外對流表面傳熱系數的變化趨勢，結果如圖2所示。由圖2可見，相同Re數下，3種不同經驗公式計算結果有較大差別，當 Re數為100時，利用公式（5）～（7）計算所得管外對流表面傳熱系數分別為101.3，119.3和186.9。計算所得熱阻分布見圖3?？梢?，在高黏原油熱交換器中，原油的傳熱熱阻遠大于污垢熱阻和管壁熱阻，為控制熱阻。因此，在此類熱交換器設計計算過程中，對流表面傳熱系數的大小對整臺熱交換器的設計起決定性作用。

綜上，在進行原油熱交換器計算時，需根據Re數的大小，分段選擇正確合理的經驗公式，進而得到準確的計算結果。采用常規依據層流、湍流劃分的單一不分段傳熱經驗公式計算會給結果帶來較大的偏差。

圖3 原油熱交換器熱阻對比

4 結論

（1）不同經驗公式計算結果有較大差別，在進行原油熱交換器計算時，需根據層流區Re數的大小，分段選擇正確合理的經驗公式，進而得到準確的計算結果，對于海洋石油平臺用高黏原油熱交換器，推薦采用本文推導的3個層流區經驗公式。

（2）在高黏原油熱交換器中，原油的傳熱熱阻遠大于污垢熱阻和管壁熱阻，為控制熱阻。在此類熱交換器設計計算過程中，對流表面傳熱系數的大小對整臺熱交換器的設計起決定性作用，進一步說明選擇精確經驗公式的重要性。

［1］錢頌文.熱交換器設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［2］楊世銘,陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，2012.

［3］董其伍.熱交換器［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［4］秦叔經.熱交換器［M］.北京：化學工業出版社，2002．