加装管端隔热层提高换热器安全性的模拟研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2023.02.011

辽宁石油化工大学学报 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (2): 67-71.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2023.02.011

加装管端隔热层提高换热器安全性的模拟研究

张准顺¹(), 郭强², 马贵阳¹(), 李洋¹^,³, 陈红伟¹

^1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.辽宁绿源能源环保科技集团有限责任公司，辽宁营口 115000
^3.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

收稿日期:2022-01-20 修回日期:2022-03-11 出版日期:2023-04-25 发布日期:2023-05-04
通讯作者: 马贵阳
作者简介:张准顺（1998⁃），男，硕士研究生，从事换热器强化传热技术与节能技术方面的研究；E⁃mail：1595919663@qq.com。
基金资助:
科技部重点专项资助项目(SQ2020YFF0416628);“抚顺英才计划”青年拔尖人才资助项目(FSYC202107007)

Simulation Study on Improving the Safety of Heat Exchanger by Adding Thermal Insulation Layer at the Pipe End

Zhunshun Zhang¹(), Qiang Guo², Guiyang Ma¹(), Yang Li¹^,³, Hongwei Chen¹

^1.College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.Liaoning Lvyuan E. &E. Tech. Group Ltd. ，Yingkou Liaoning 115000，China
^3.School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang 150001，China

Received:2022-01-20 Revised:2022-03-11 Published:2023-04-25 Online:2023-05-04
Contact: Guiyang Ma

摘要/Abstract

摘要：

提出了一种通过在换热管入口端加装管端隔热层来提高管壳式换热器安全性的方法。基于SIMPLE算法，建立了三维管壳式换热器的端部温差瞬态变化模型，研究了隔热层厚度、隔热层材质对换热器安全性的影响。结果表明，与无管端隔热层的换热管相比，加装管端隔热层时，不管是加装何种材质的管端隔热层，换热管两侧温差均明显降低；管端隔热层的厚度及隔热层材料的导热系数越大，换热管两侧温差降幅、瞬时热冲击应力及温差热应力降幅越大，换热器的安全性越高；当管端隔热层厚度为247.5 mm、导热系数为2.090 0 W/(m?K)时，换热管两侧最大瞬时温差可降低10.1%，稳定工作时最大温差可降低12.5%，瞬时热冲击应力和温差热应力可分别降低10.1%和12.5%。

关键词: 换热器, 隔热层, 安全性, 热应力

Abstract:

This paper proposed a method to improve the safety of shell and tube heat exchangers by adding a heat insulation layer at the inlet end of the heat exchange tube. Based on the SIMPLE algorithm, the transient change model of end temperature difference of three?dimensional shell and tube heat exchanger was established, and the effects of the changes of insulation thickness and insulation material on the safety of heat exchanger were compared. The results show that the temperature difference between the two sides of the heat exchange tube is significantly reduced when the pipe end insulation layer is installed, regardless of the material of the pipe end insulation layer; The greater the thickness of the insulation layer at the pipe end and the thermal conductivity of the insulation material, the greater the reduction of temperature difference, instantaneous thermal shock stress and temperature difference thermal stress on both sides of the heat exchange tube, and the higher the safety of the heat exchanger; When the thickness of the pipe end insulation layer is 247.5 mm and the thermal conductivity is 2.090 0 W/(m?K), the maximum instantaneous temperature difference on both sides of the heat exchange pipe can be reduced by 10.1%, the maximum temperature difference can be reduced by 12.5% during stable operation, and the instantaneous thermal shock stress and temperature difference thermal stress can be reduced by 10.1% and 12.5%.

Key words: Heat exchanger, Heat insulation layer, Safety, Thermal stress

中图分类号:

TQ05

张准顺, 郭强, 马贵阳, 李洋, 陈红伟. 加装管端隔热层提高换热器安全性的模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(2): 67-71.

Zhunshun Zhang, Qiang Guo, Guiyang Ma, Yang Li, Hongwei Chen. Simulation Study on Improving the Safety of Heat Exchanger by Adding Thermal Insulation Layer at the Pipe End[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2023, 43(2): 67-71.

图/表 10

参考文献 18

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14	朱光俊.传输原理［M］.北京：冶金工业出版社，2009.
15	吴义彬.定量计算水表面张力系数及其温度变化率［J］.物理通报，2015（1）：103⁃106.
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18	任德鹏，贾阳，刘强.温差电源的整体热电耦合计算［J］.清华大学学报（自然科学版），2008，48（8）：1372⁃1376.

结构参数	数值
长度/mm	1 650
壳体直径及厚度/mm	273，8.0
换热管直径及厚度/mm	25，2.5
换热管数/根	40
管间距/mm	32
折流板间距/mm	400
壳程进出口直径/mm	80

结构参数	数值
长度/mm	1 650
壳体直径及厚度/mm	273，8.0
换热管直径及厚度/mm	25，2.5
换热管数/根	40
管间距/mm	32
折流板间距/mm	400
壳程进出口直径/mm	80

材料	密度/（kg‧m^－3）	比热容/(J‧kg^－1‧K^－1)	导热系数/（W‧m^－1‧K^－1）	动力黏度×10⁵/（Pa‧s）
空气	1.225	1 006.43	0.024 2	1.789 4
水蒸气	11.620	3 149.70	0.040 7	1.633 8
水	998.200	4 182.00	0.600 0	100.300 0
红砖	1 560.000	1 240.00	0.490 0	—
瓷砖	2 090.000	840.00	1.100 0	—
混凝土A	2 300.000	920.00	2.090 0	—
混凝土B	2 430.000	920.00	3.550 0	—
316奥氏体不锈钢	8 030.000	502.48	16.270 0	—

材料	密度/（kg‧m^－3）	比热容/(J‧kg^－1‧K^－1)	导热系数/（W‧m^－1‧K^－1）	动力黏度×10⁵/（Pa‧s）
空气	1.225	1 006.43	0.024 2	1.789 4
水蒸气	11.620	3 149.70	0.040 7	1.633 8
水	998.200	4 182.00	0.600 0	100.300 0
红砖	1 560.000	1 240.00	0.490 0	—
瓷砖	2 090.000	840.00	1.100 0	—
混凝土A	2 300.000	920.00	2.090 0	—
混凝土B	2 430.000	920.00	3.550 0	—
316奥氏体不锈钢	8 030.000	502.48	16.270 0	—

体网格数	换热器壳程出口速度/（m‧s^－1）	与最密集网格的误差/%
1 881 150	0.441 18	8.70
5 122 531	0.397 77	1.90
9 891 227	0.394 88	2.60
12 111 071	0.408 16	0.58
19 473 981	0.407 51	0.42
23 276 467	0.405 77	0（基准）

加装管端隔热层提高换热器安全性的模拟研究

Simulation Study on Improving the Safety of Heat Exchanger by Adding Thermal Insulation Layer at the Pipe End

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隔热层材料	隔热层厚度/mm	温差/K		温差降低幅度/%		应力降低幅度/%
隔热层材料	隔热层厚度/mm	最高温差	稳定温差	最高温差	稳定温差	瞬时热冲击应力	温差热应力
无	—	207.10	189.20	—	—	—	—
红砖	165.0	193.10	178.30	6.7	5.8	6.7	5.8
瓷砖	165.0	192.40	176.10	7.1	6.9	7.1	6.9
混凝土B	165.0	190.80	172.70	7.8	8.7	7.8	8.7
混凝土A	165.0	192.10	173.80	7.2	8.1	7.2	8.1
混凝土A	82.5	191.70	180.50	7.4	4.6	7.4	4.6
混凝土A	247.5	186.10	165.60	10.1	12.5	10.1	12.5

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