李 晋,刘纪尧
(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)
中国海油许多油田区块原油黏度高、流动性差,给热交换器设计带来诸多困难,在热交换器的设计时需充分考虑高黏流体的流动及传热特点。笔者在积累大量工程经验和设计实例的基础上,针对海油平台特殊工况,总结出高黏原油热交换器区别于其他常规热交换器设计的不同点,在常规设计计算中,当壳程流体处于层流区(Re≤2300)时,管外对流表面传热系数一般选择一个传热经验公式[1],这对一般流体适用性较好,但对存在很大径向温差的高黏流体适用性较差,需选择更精确的经验公式。在查阅大量文献的基础上,经过仔细对比分析,发现文献[2]研究结果符合海油平台高黏原油特殊工况:即层流区的流动情况需要分段划分,即横掠顺排管束平均表面传热计算关系式随Re的变化各有不同(Re<100,100≤Re<1000以及 1000≤Re<2300),因此,在设计高黏流体热交换器时,需要根据Re值选择经验公式,得到准确的计算结果。
中国海油许多采油区块原油黏度都很高,选择某典型高黏度的油/油热交换器为研究对象,以此为基础模型,进行对比分析研究并总结经验规律。业主和上游专业提供的设计基础数据如表1所示。
根据1.1的设计基础,结合总体专业要求,建立如图1所示的物理模型,管口方位和管壳程流动方向如图所示。
针对1.2建立的物理模型,为方便模拟计算,做出如下几点假设。
(1)流体为牛顿流体,流体非变形,均匀且各向同性;
(2)壳体外保温良好,流体向大气传热忽略不计;
(3)换热管材料为20#钢,金属导热系数为51.8 W/(m·K)[3];
(4)管内和管外污垢热阻均为 0.352×10-3m2·K/W[4];
(5)换热管使用光管,不考虑强化传热技术。
表1 油/油热交换器设计参数
图1 油/油热交换器物理模型
(1)传热基本公式。热交换器传热符合傅里叶定律,以传热管外表面积为准,基本公式见式(1)和式(2)。
式中Q——热负荷,W
A——传热面积(以管外表面积为基准),m2
Ai——管内表面积,m2
Ao——管外表面积,m2
ΔT——有效平均温差,K
K——总传热系数(以换热管外表面积为基准),W/(m2·K)
hi——管内流体对流表面传热系数(以换热管内表面积为基准),W/(m2·K)
ho——管外流体对流表面传热系数(以换热管外表面积为基准),W/(m2·K)
ri——管内流体污垢热阻(以换热管内表面积为基准),m2·K/W
ro——管外流体污垢热阻(以换热管外表面积为基准),
rp——管壁的热阻,m2·K/W(2)管内流体对流表面传热系数。管内流体对流表面传热系数的表达式为式(3)。
式中hi——管内流体对流表面传热系数,W/(m2·K)
λiD——管内定性温度下介质的导热系数,W/(m·K)
do——管外径,m
JHi——管内传热因子,无因次
Pri——管内流体普兰特准数;Pri=(Cpμ/λ)iD
CpiD——定性温度下介质的比热容,J/(kg·K)
μiD——定性温度下介质的黏度,Pa·s
φi——管程壁温校正系数
(3)管外流体对流表面传热系数。管外对流表面流体传热系数,可用(4)式计算。
式中λoD——管外定性温度下介质的导热系数,W/(m·K)
de——换热管当量直径,m
JHo——壳程传热因子
φo——壳程壁温校正系数
εh——旁路挡板传热校正系数
Pro——管外流体普兰特准数
(4)壳程传热因子。参阅文献[2],层流区管外对流表面传热系数计算采用Zhukauskas关系式,表述如表2所示。
表2 流体横掠顺排管束平均表面传热系数计算关系式
在热交换器设计计算中,传热因子是传热计算中的重要表征参数,依据传热基本关系式,对不同Re对应壳程传热因子进行推导,得到新的计算公式。
①当 1000≤Re≤2300时有(5)式。
式中Reo——管外流体雷诺准数
z——折流板圆缺高度百分数
②当 100≤Re<1000时有(6)式。
③当Re<100时有(7)式。
依据前面推导的传热因子公式,利用FORTRAN语言编译相关计算程序,对层流区内选用不同经验公式进行对比分析计算,研究传热因子经验公式对传热性能的影响,并在此基础上,对实例热交换器结构尺寸进行优化设计,得到最优化设计方案。
为方便模拟计算,设定基本参数:换热管直径19 mm;热交换器功率450 kW;折流板间距330 mm;Re在层流区内为变量。根据2.2节(4)推导的3个传热因子公式,研究采用不同经验公式计算所得管外对流表面传热系数的变化趋势,结果如图2所示。由图2可见,相同Re数下,3种不同经验公式计算结果有较大差别,当 Re数为100时,利用公式(5)~(7)计算所得管外对流表面传热系数分别为101.3,119.3和186.9。计算所得热阻分布见图3。可见,在高黏原油热交换器中,原油的传热热阻远大于污垢热阻和管壁热阻,为控制热阻。因此,在此类热交换器设计计算过程中,对流表面传热系数的大小对整台热交换器的设计起决定性作用。
综上,在进行原油热交换器计算时,需根据Re数的大小,分段选择正确合理的经验公式,进而得到准确的计算结果。采用常规依据层流、湍流划分的单一不分段传热经验公式计算会给结果带来较大的偏差。
图3 原油热交换器热阻对比
(1)不同经验公式计算结果有较大差别,在进行原油热交换器计算时,需根据层流区Re数的大小,分段选择正确合理的经验公式,进而得到准确的计算结果,对于海洋石油平台用高黏原油热交换器,推荐采用本文推导的3个层流区经验公式。
(2)在高黏原油热交换器中,原油的传热热阻远大于污垢热阻和管壁热阻,为控制热阻。在此类热交换器设计计算过程中,对流表面传热系数的大小对整台热交换器的设计起决定性作用,进一步说明选择精确经验公式的重要性。
[1]钱颂文.热交换器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002.
[2]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2012.
[3]董其伍.热交换器[M].北京:化学工业出版社,2008.
[4]秦叔经.热交换器[M].北京:化学工业出版社,2002.