1. 100 № 9 • сентябрь 2007
На НПЗ используются в значи-
тельной степени процессы теплопе-
редачи для переработки исходного
сырья и получения большинства
нефтепродуктов. Поэтому тепло-
обменные аппараты различных
размеров и конструкций широко
применяютвовсехустановкахпере-
работкинефти.Теплообменникиэто
основные элементы оборудования,
поэтомумногоусилийзатрачивается
для обеспечения их надежности и
получения более длительных рабо-
чих циклов между их чисткой. Для
улучшения характеристик и к.п.д.
теплообменников проектировщики
стараютсяулучшитьхарактеристики
потоков на входе в теплообменники.
Часто на входе в теплообменники
устанавливаются отклоняющие ус-
тройства, с которыми сталкиваются
потоки жидкости, поступающей в
теплообменники и которые обеспе-
чивают защиту их от эрозии. К со-
жалению,установкатакихустройств
может также создавать проблемы
из за их вибраций. Статистические
данные по этим проблемам была
проанализированысиспользованием
численных методов анализа дина-
мики жидкости (computational fluid
dynamics CFD) с целью разработки
моделей для исследования влияния
отклоняющих устройств на течение
жидкости.Такиеисследованиямогут
быть использованы для разработки
конструкций, позволяющих решить
проблемы с вибрациями, с непра-
вильным распределением потока
жидкости в теплообменнике и с дру-
гими конструктивными и рабочими
параметрами теплообменников.
Компьютерное моделирование
успешноиспользовалосьдляточного
расчета характеристик отклоняю-
щих устройств в теплообменниках.
Такиеустройствачастоприменялись
для защиты трубок теплообменных
аппаратов от возможной коррозии
и от вызывающих вибрации трубок
ударов высокоскоростных потоков
УЛУЧШЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ
ТЕПЛООБМЕННИКОВ
K. Farrell, Heat Transfer Research, Inc., Колледж Стейшн, Техас и A. Haidary, АNSYS, Ливан, Нью
Хемпшир
Компьютерное моделирование позволяет л чшить онстр ции от лоняющих стройств,
использ емых в теплообменни ах
жидкостей, входящих в теплооб-
менник. Однако часто трудно оп-
ределить, нужны такие устройства
или нет в конкретной конструкции
теплообменного аппарата, и какой
тип такого устройства позволит по-
лучить оптимальные характеристи-
ки.РезультатыCFD моделирования
сравнивались с результатами вы-
полненных ранее физических ис-
пытаний для оценки возможности
CFDмоделированияпрогнозировать
характеристикиразличныхотклоня-
ющихустройств,скоторымисталки-
ваютсявходящиевтеплообменники
жидкости, без затрат средств и вре-
мени,требующихсядляпроведения
физических испытаний. В рассмат-
риваемомисследованииполученные
результаты позволили проверить
точность CFD моделирования и в то
же время получить больше инфор-
мации по сравнению только с фи-
зическими экспериментами. Затем
инженеры исследователи смогли
сравнить характеристики основ-
ных типов отклоняющих устройств
(сплошных и перфорированных
пластин, решеток стержней) и оце-
нить влияние изменений основных
конструктивных параметров на
каждый тип устройства.
УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ
Отклоняющиеустройстваобычно
размещаются внутри кожуха кожу-
хотрубных теплообменников между
патрубком и трубным пучком. Они
могут быть присоединены прямо к
трубному пучку соединительными
тягами, прихватываемыми сваркой
кпервойперегородкеотклоняющего
устройства.Пластинаотклоняющего
устройствапредназначенадлязащи-
тыотэрозиипутемгашенияэнергии
потока жидкости и максимального
замедления его у стенки кожуха при
значительном падении статического
давления.Инаоборот,использование
отклоняющихустройствувеличивает
стоимость теплообменников и, как
известно, создает проблемы с виб-
рациямивнекоторыхконструкциях.
Большинство проблем возникают
из затрудностивопределении,нуж-
но ли устанавливать отклоняющие
устройства или нет, и если нужно,
то какой тип устройства следует ис-
пользовать.
СТАНДАРТЫ НА КОНСТРУКЦИИ
ТЕПЛООБМЕННИКОВ
СтандартыАссоциациипроизво-
дителей трубчатых теплообменни-
ков(TubularexchangerManufacturers
Association TEMA) требуют ус-
тановки отклоняющих устройств,
когда динамическое давление во
входном патрубке в два раза больше
значения 2,232 кгс/мґс2
, или оно
больше значения 744 кгс/мґс2
для
кипящей жидкости, или когда на
стенке кожуха происходит конден-
сация и течение на входе близко к
насыщению. Обычно в компьютер-
ных программах расчета конструк-
ций теплообменников используют
стандарты ТЕМА для определения
необходимости включения откло-
няющих устройств. Альтернативно
пользователь может выбрать другое
пороговое значение или может
включить в конструкцию теплооб-
менника отклоняющую пластину.
Если требуется отклоняющее ус-
тройство, то компьютерная про-
грамма рассчитывает необходимые
параметры круглой пластины с диа-
метром в 1,1 раза больше диаметра
патрубка. При этом предусматрива-
ется зазор, равный 3,18 мм, от пер-
вого ряда трубок до нижней части
отклоняющей пластины, толщина
которой 6,35 мм. Для сплошных
отклоняющих пластин пользовате-
ли могут выбрать другую ширину
или диаметр, толщину пластины
или ее положение от патрубка; для
решеток из стержней число рядов
решетки и диаметр стержней.
Необходимоиспользоватьсовре-
менные методы оптимизации конс-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

2. 101№ 9 • сентябрь 2007
труированияотклоняющихпластин
для защиты трубок от эрозии, в то
же время для сведения к минимуму
падения давления и для защиты
труб от вибраций. Ясно, что CFD
обладает потенциалом быть таким
инструментом.CFD моделирование
позволяет получить скорости жид-
кости, давления, температуры и
другиепеременныедлявсейобласти
решений с учетом сложных геомет-
рийустройствиграничныхусловий.
В ходе решения инженер может
изменять геометрию устройств или
граничныеусловияианализировать
влияниеэтихизмененийнахарактер
течения жидкости или на распреде-
ление других переменных.
С помощью CFD можно также
выполнить детальные параметри-
ческие исследования, которые могут
значительно уменьшить количество
экспериментов, необходимых для
разработки нового или модифици-
рованного оборудования. Однако
преждечемможнобудетсделатьтех-
ническое заключение на основе этих
CFD исследований,нужнопредвари-
тельно установить, насколько можно
доверять результатам вычислений.
Поэтому конструкторы приняли ре-
шение осуществить компьютерное
моделирование нескольких геомет-
рийиформотклоняющихустройстви
сравнить результаты компьютерного
моделирования с экспериментами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ
Экспериментальные результаты
были получены при проведении
ранее HTRI исследования, в кото-
ром проводилась оценка трех типов
отклоняющих устройств с подводом
жидкости в патрубок на стенке
кожуха теплообменника и исполь-
зованием в качестве исследуемой
жидкости воздуха. В эксперименте
моделировались условия течения
на входе в полость кожуха теплооб-
менника при расположении хорды,
соединяющей прорези в первой
отклоняющей пластины, перпенди-
кулярно к оси патрубка. Воздух из
аэродинамической трубы подавался
виспытываемыйаппаратспомощью
трубы, обеспечивая турбулентное
течение в патрубке. Патрубок был
присоединен под прямым углом
к полукруглой части кожуха для
моделирования половины кожуха
теплообменника в зоне его днища.
За этой полукруглой частью кожуха
располагался прямоугольный канал,
ширина которого равнялась диамет-
ру кожуха. В передней части канала
располагалось до восьми рядов тру-
бок. В патрубке и в прямоугольном
каналеимелисьточкидляизмерения
давления манометром. Влияние раз-
личных геометрических параметров
нападениедавленияираспределение
потокабылиисследованыдлякаждо-
го типа устройства.
Исследование показало, что ре-
шетка из стержней обеспечивает
лучшие суммарные результаты, ка-
сающиесяраспределенияскоростей
ипадениядавления.Перфорирован-
ные пластины уменьшают степень
падения давления по сравнению со
сплошнымипластинами,ноонипри-
водят к возникновению отдельных
струй жидкости в отверстиях, кото-
рые могут привести к эрозии и вы-
звать вибрации в трубках. Решетки
изстержнейобеспечиваютотличное
распределение потока жидкости.
ПервоначальнаяCFD модельбыла
предназначена для дублирования
экспериментальных результатов.
Моделируемая область, равная 1/4
фактической геометрии, была огра-
ничена плоскостями входа и выхода
двумя симметричными плоскостями
симметрии и стенками патрубка и
кожуха.
Быливведеныграничныеусловия,
использован профиль полностью тур-
булентноготечениянарасстоянииод-
ногодиаметрапатрубкапередвходом
в кожух. Задано граничное условие
одинаковогоатмосферногодавленияв
плоскостивыходаиграничноеусловие
отсутствия скольжения относительно
гладких внутренних поверхностей
испытываемого аппарата и отклоня-
ющегоустройства.Граничноеусловие
симметрии было задано вдоль двух
перпендикулярных плоскостей, сов-
падающих с осью патрубка. Когда от-
клоняющая пластина фиксировалась
на трубном пучке, то она моделирова-
ласьввиденепроницаемойстенкибез
скольжения потока. При смещении
отклоняющей пластины от трубного
пучка задавалась ее толщина, равная
1,29 мм, и считалось, что поверхности
пластиныявляютсянепроницаемыми
стенкамибезскольженияпотока.Глав-
ный трубный пучок моделировался в
виде анизотропной пористой среды,
абезразмерныйкоэффициентсопро-
тивленияинерциирассчитывалсясис-
пользованиемсобственныхметодов.
РЕШЕНИЕ
С ПОМОЩЬЮ CFD-МОДЕЛИ
На первом этапе CFD анализа
определялась геометрия путем пос-
троения ее в явной форме. Перед
созданием сетки для вычислений
геометрия была разделена на отде-
льные объемы, чтобы для важных
областей, таких как области около
патрубка,можнобылосоздатьсетки
с более высокой плотностью ячеек с
целью точного моделирования всех
вторичныхтечений.Неструктуриро-
ванная сетка, состоящая из восьми
и шестиугольных элементов, была
затемсозданаавтоматически.После
создания сетки и ввода граничных
условий и значений соответству-
ющих параметров и свойств были
выполнены вычисления для нахож-
дениярешения.Инженерывыбрали
реализуемую k e модель с неравно-
весными функциями на стенках для
условий турбулентного течения; в
качестверабочейсредыбылисполь-
зованвоздух,чтосогласуетсясранее
проведенным экспериментом.
Инженеры исследователисравни-
лирезультатыCFD моделированияи
физическихэкспериментов,инашли
хорошее согласование падений дав-
ления (рис. 1). Данные по скоростям
согласуются недостаточно хорошо.
Однако исследователи установили,
чтоэтиразличияобусловленынеточ-
ностьюизмерений.Использованный
термоанемометр не обеспечивает
устойчивых измерений, а присутс-
твиезондавлиялонатечение.Кроме
того, с помощью термоанемометра
Рис. 1. Моделир емая область ож ха/
патр б а испытываемо о аппарата; на
приведенной омбинированной фи ре
по азан онт р исслед емой еометрии;
использ емая при вычислениях сет а
в зоне тр бно о п ч а и цветовые
онт ры значений с оростей на входе
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

3. 102 № 9 • сентябрь 2007
можно было выполнять измере-
ния только в очень ограниченной
области. CFD исследования также
позволили получить значительно
большеинформациипосравнениюс
выполненными ранее физическими
экспериментами, включая способ-
ность видеть форму струй вокруг
области патрубка с отклоняющими
пластинами и без них (рис. 2 и 3).
ОЦЕНКА
АЛЬТЕРНАТИВНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
ОТКЛОНЯЮЩИХ
УСТРОЙСТВ
Инженеры исследователи также
выполнили оценку нескольких типов
других отклоняющих устройств и
выполнили параметрических анализ
каждого из них. При использовании
отклоняющегоустройствапластинча-
тоготипапроисходитускорениетече-
ниявокругкраевпластины,втовремя
как при использовании устройства
в виде решетки из стержней полу-
чается более равномерный профиль
скоростейнавходевтеплообменник.
Инженеры изменяли расстояние
каждого устройства относительно
соединения патрубка с кожухом,
проверяли отклоняющие устройства
с различными размерами и типами
пластин и исследовали различные
схемы расположения стержней в
решетках.
Отклоняющее устройство в виде
решетки стержней обладает значи-
тельнымипреимуществами,чтообес-
печивает незначительное падение
давления и уменьшает переходные
процессысбыстроизменяющимися
скоростями течения, которые могут
вызвать вибрации, и обеспечивают
более равномерный профиль скоро-
стей потока, обтекающего трубный
пучок. Кроме того, польза от приме-
нения таких устройств может ком-
пенсировать более высокие затраты
нанихиснижениеработоспособнос-
ти трубок в теплообменнике.
Перевел В. Клепинин
K. Farrell (К. Фаррелл), старший инженер
проекта, с 2001 г. работает в Heat Transfer
Research, Inc., Колледж Стейшн, шт. Техас.
Д рФарреллполучилвУн теПенсильвания
степени бакалавра, магистра и доктора по
механике. Его деятельность включает ис-
следования в области гидродинамики, теп-
лотехники,атакжеисследованиевибраций
элементовконструкций,возникающихпри
Рис. 2. Выбранные рез льтаты CFD-моделирования по азывают, что смещенная от лоняющая пластина меньшает высо ое значение
с орости выше по пото (рис. 2, b) до значительно более низ о о ровня (рис.2, с) в плос ости входа в тр бный п чо
течении жидкости. Его работы представ-
лены в более чем 110 технических отчетах
и опубликованных статьях. Д р Фаррелл
является членом ASME и ASHRAE и лицен-
зированныминженером профессионалом
в Пенсильвании и Техас.
A. Haidary (А. Хейдари), директор отделе-
ний технологии и энергетики компании
АNSYS Inc. Д р Хейдари получил степень
доктора по механике в университете
г. Лихай и в течение 14 лет работал в
Fluent Inc., дочерней компании АNSYS
Inc., находящейся в полной ее собствен-
ности. Он имеет почти 20 летний опыт
использования прикладных программ
техническогомоделированияприпроекти-
ровании технологического оборудования
для промышленности, для диагностики
технологических установок и для анализа
рабочих процессов и их масштабирования
по вертикали. Он является членом AIChE,
участвуетвмногочисленныхпрезентациях
и является автором публикаций по приме-
нению CFD в нефте и газоперерабатыва-
ющей промышленности.
Рис. 3. Выбранные рез льтаты CFD-моделирования по азывают влияние решет и
стержней. Рез льтир ющий пото имеет довольно равномерное распределение
с оростей на входе в тр бный п чо
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»