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。瑞流模型對(duì)殼程流體流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了三葉孔板換熱器殼程流動(dòng)與傳熱特性。為此，國內(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。

管式冷卻器邊界條件：入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界，。對(duì)于沒有定義的邊界面軟件默認(rèn)為墻體邊界。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。在本課題中，根據(jù)大慶油田分公司產(chǎn)量，原穩(wěn)站管殼式換熱器殼程入口速度在之間，根據(jù)物性和模型尺寸，計(jì)算得出換熱器殼程的雷諾數(shù)之間，所以換熱器殼程內(nèi)部流動(dòng)為層流，多相流模型選為混合模型，混合物模型可用于兩相流或多相流（流體或顆粒）。采用有限體積法，使用分離式求解器，穩(wěn)態(tài)隱式格式求解；速度壓力稱合方式采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的算法；流通介質(zhì)為含砂，物性參數(shù)為等效溫度下的常量；假設(shè)入口來流的速度均勾分布，忽略重力影響，殼體壁面和折流板采用不可滲透、無滑移絕熱邊界。使用速度入口和壓力出口邊界，采用層流的模型；選用二階迎風(fēng)格式。

單弓形折流板管殼式換熱器物理模型復(fù)雜，因此選用適應(yīng)性強(qiáng)的正四面體和金字塔形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使用GAMBIT劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的數(shù)量直接決定了計(jì)算速度和精度。換熱器流動(dòng)傳熱性能模擬和等人釆用多孔介質(zhì)模型對(duì)液態(tài)金屬換熱器和蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并將得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。網(wǎng)格過少，將不到流場的流動(dòng)特性;網(wǎng)格過多，一方面會(huì)嚴(yán)重消耗計(jì)算機(jī)資源，另一方面大量的數(shù)值耗散積累會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的正確性。所以進(jìn)行網(wǎng)格的獨(dú)立性驗(yàn)證時(shí)十分必要的。以一個(gè)單弓形折流板管殼式換熱器模型為例進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。共三套網(wǎng)格:換熱器整體均為四面體，終網(wǎng)格數(shù)量為1,521,014個(gè);殼程為四面體網(wǎng)格，管程及殼程進(jìn)出口管為六面體網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為I ,952,621個(gè);由面到體依次畫網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為2,175,849個(gè)。后面兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果相差小于60%綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算花費(fèi)，選取第二套網(wǎng)格:終網(wǎng)格數(shù)量為1,952,621個(gè)。

隨著結(jié)塘厚度的增加，換熱器管程出口溫度升高，殼程出口溫度降低。由于換熱面污據(jù)的存在，增大了換熱面的導(dǎo)熱熱阻，減小了其導(dǎo)熱系數(shù)，使管殼程的傳熱系數(shù)降低，從而影響了換熱器的換熱性能。其中，計(jì)算傳熱學(xué)模型中的瑞流擴(kuò)散系數(shù)是利用溫度方差和溫度方差耗散率來求解，而不是利用通常采用的數(shù)假設(shè)值或?qū)嶒?yàn)測(cè)定值來求解。最終導(dǎo)致?lián)Q熱管程出口溫度升高，殼程出口溫度降低。采用換熱器的傳熱系數(shù)作為換熱器換熱效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以此來對(duì)比各組結(jié)坂工況的換熱器傳熱性能。隨著污振厚度的增加，換熱器的傳熱系數(shù)降低，這是由于污塘的存在，導(dǎo)致了換熱面的導(dǎo)熱熱阻增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小，導(dǎo)致的換熱器傳熱系數(shù)降低，換熱效率減小。這說明：隨著換熱面結(jié)塘厚度旳增加，換熱器的傳熱性能降低。且隨著結(jié)拒厚度的增加，換熱器傳熱性能的這種降低趨勢(shì)越發(fā)平緩。