管殼式換熱器的節(jié)能分析

管殼式換熱器的節(jié)能分析

劉翠茹　徐仁

 (天津普萊化工技術(shù)有限公司)

    摘　要：換熱器中采用節(jié)能技術(shù)不僅能提高能源利用率,減少金屬材料的消耗,而且對推進石油、化工、制藥等行業(yè)的節(jié)能減排工作有著積極意義。介紹了常用管殼式換熱器換熱管強化傳熱技術(shù)和殼程強化傳熱方法,分析了各自的原理、優(yōu)缺點及推薦使用場合。

    關(guān)鍵詞：換熱器　強化傳熱　節(jié)能

    0　前言

    在石化和化工制藥設(shè)備的換熱器系統(tǒng)中,管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高、適應(yīng)性強等優(yōu)點在化工生產(chǎn)和使用中一直占主導(dǎo)地位,被廣泛使用在精餾塔的塔頂冷凝器、冷卻器和塔底再沸器等。在管殼式換熱器的設(shè)計和使用中,積極考慮強化傳熱的新技術(shù)、新工藝,以提高能源利用率、減少金屬材料的消耗,對推進石油化工制藥行業(yè)的節(jié)能減排工作有著重要意義。

    1·管殼式換熱器的傳熱原理

    根據(jù)傳熱學(xué)基本公式

    Q=KFΔtm(1)

    由式(1)可知,提高傳熱效率的途徑有三條:提高傳熱系數(shù)K;增大換熱面積F;加大對數(shù)平均溫差Δtm。增大換熱面積和加大對數(shù)平均溫差都不是理想的途徑,一味地增加換熱面積勢必會造成設(shè)備體積龐大和投資費用的大幅度增加,而加大對數(shù)平均溫差又要受到公用工程條件和分離物系性質(zhì)的限制。只有提高傳熱系數(shù),才是強化換熱最有效的途徑。傳熱系數(shù)K是換熱器的主要性能參數(shù),眾所周知其計算公式為：

    由式(2)可知,傳熱系數(shù)K值的大小與管內(nèi)換熱系數(shù)αi、管外換熱系數(shù)αo、管內(nèi)和管外的污垢系數(shù)ri和ro、換熱管的外徑與內(nèi)徑之比do/di、換熱管材料的熱導(dǎo)率λw以及管厚度δw有關(guān)。而換熱管的材料、規(guī)格一旦選定,則管外徑與內(nèi)徑之比、壁厚及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)也隨之確定下來。所以,提高管內(nèi)、外換熱系數(shù)αi和αo、降低污垢系數(shù)ri和ro,才能夠提高換熱器的總傳熱系數(shù)K。

    2·管殼式換熱器強化傳熱方法

    由傳熱機理可以看出,提高換熱器的傳熱效率就要想辦法提高管內(nèi)、外換熱系數(shù)、降低管內(nèi)、外污垢系數(shù)。管殼式換熱器的強化傳熱研究經(jīng)過多年發(fā)展,目前已經(jīng)取得了許多廣泛使用的成果。以下從管程強化與殼程強化兩個方面分析管殼式換熱器強化傳熱方法。

    2·1　管程強化

    2·1·1　傳熱管的改進

    采用了低肋管、螺紋管、波紋管等代替常用換熱器的普通光滑管,不僅增加換熱面積,而且利用粗糙傳熱面強化邊界層湍流度提高傳熱系數(shù),從而使管程強化傳熱有了較大的突破。

    低肋管是開發(fā)較早的換熱管之一,主要應(yīng)用于強化沸騰傳熱,不僅其換熱系數(shù)較高,而且能有效地擴大傳熱面積,光滑管的傳熱面積只是低肋管的38%。距有關(guān)資料證明,在相同雷諾數(shù)Re下,低肋管外的膜傳熱系數(shù)是光滑管的1·4~1·7倍。但是低肋管也有其自身的弱點:在低熱流率下,換熱管的傳熱性能在上、下兩部分相差比較大,上部優(yōu)于下部,不過隨著熱流率增加差距會逐漸減少,此外該管型帶來的流動阻力會比較大。

    螺紋管是一種由鋼管經(jīng)環(huán)向滾壓軋制而成的整體低翅片管,適用于強化對流、冷凝傳熱。從內(nèi)、外螺紋管與光滑管的對比可看出螺紋管在強化傳熱和節(jié)能等方面的優(yōu)點,內(nèi)、外螺紋管換熱器可提高傳熱系數(shù),螺紋管的總傳熱系數(shù)為光滑管的兩倍以上。在滿足生產(chǎn)的情況下,兩臺內(nèi)外螺紋管換熱器具有三臺光滑管換熱器的傳熱能力。對于相同結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器,內(nèi)、外螺紋管的換熱面積是光滑管的1·5~2·5倍。螺紋管換熱器對污垢的產(chǎn)生可起到延緩和抑制作用,因而可降低污垢系數(shù)ri和ro,減少熱阻,提高傳熱效率。

    波紋管是管內(nèi)流道截面連續(xù)不斷地突變,造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度湍流狀態(tài),難以形成層流,使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內(nèi)、外傳熱被同時強化,因而傳熱系數(shù)很高,一般為傳統(tǒng)管殼式換熱器的2~3倍。

    2·1·2　適當(dāng)提高管內(nèi)流速

    管內(nèi)的對流換熱系數(shù)αi與管內(nèi)流體的流動狀態(tài)有極大關(guān)系,流動狀態(tài)的改變可借助于提高流速,傳熱系數(shù)隨著流速的提高而增加。但當(dāng)流速提高到一定程度時,傳熱系數(shù)隨著流速的提高而增速減慢,而換熱器的壓降增加幅度卻很大。因此,在設(shè)計換熱器時,可適當(dāng)加大管內(nèi)流速,以提高管內(nèi)換熱系數(shù),強化管內(nèi)傳熱。

    2·2　殼程強化

    從間壁傳熱原理上講,殼程強化在提高整個換熱器傳熱效率較管程更為有效,在無相變換熱的情況下,一般殼程對流換熱系數(shù)α1小于管程對流換熱系數(shù)α2,所以在殼程進行強化傳熱的改進,可以使總傳熱系數(shù)K有較大提高。設(shè)計出合理的殼程流道截面,使流體按湍流或程度較高的紊流進行流動,使流體不斷沖擊邊界層。同時,使截面最好能不斷改變流體的流動方向,如有意識地使流道截面不間斷地縮小、擴大,即使在流速較小的情況下,流體在管外也可以形成比較強烈的擾動,從而提高管外的對流換熱系數(shù)。

    2·2·1　管間支撐結(jié)構(gòu)的改善

    傳統(tǒng)的管殼式換熱器大多采用單弓形隔板支撐,使流體呈“Z”形流動,該流動方式造成在隔板和殼壁相連處存在流動死區(qū)致使傳熱系數(shù)提高降低;流體在弓形隔板間的分離引起動量的急劇變化而造成壓力的嚴(yán)重?fù)p失;在隔板與殼體和換熱管之間,若旁路流和泄漏流現(xiàn)象嚴(yán)重將降低流體的有效質(zhì)量流速。為了改善流體在殼側(cè)的傳熱性能,相繼推出一些優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

    (1)異型隔板換熱器

    異形隔板是通過對隔板的結(jié)構(gòu)和安排的改變來引起殼側(cè)流體的流動速度和流動方式的變化,從而減少殼側(cè)易結(jié)垢的死區(qū)來提高換熱系數(shù)。并且隔板在列管式換熱器中還有支撐管、實現(xiàn)流體預(yù)期速度、減少管子震動的作用。目前常見的異形隔板換熱器形式主要有:雙弓形隔板,螺旋形隔板。

    一般雙弓形隔板(如圖1所示)包括A型(雙弓形隔板)和B型(中心隔板),并將它們沿管束方向交替排列。與間距和缺口相同的單弓型隔板相比其壓降為0·3 ~0·5MPa,傳熱系數(shù)為1·2 ~1·3W /(m2·k)。因此可以看出總體的傳熱性能得到了提高。

    (2)螺旋隔板換熱器

    螺旋隔板,在管間為螺旋形狀,可使流體在殼側(cè)作螺旋運動,流體在流道內(nèi)流動長度增加,且流動平滑因而在流道中流速和壓差分布比較均勻,所以帶來一系列優(yōu)點:擋板、管束和殼壁之間的泄漏流、旁路流、反混現(xiàn)象會大量的減少,流動死區(qū)也基本消除。從而使得殼側(cè)污垢面積大大減少,總體上減少了滯留區(qū)而增加了湍流度,提高了殼側(cè)的傳熱系數(shù)并降低了壓降。此外,該結(jié)構(gòu)還能增強管束的穩(wěn)定性,防止震動。實驗結(jié)果表明,與相同工況下的直擋流板相比,螺旋隔板殼側(cè)努塞爾數(shù)可提高49·4%。在螺旋角為40℃左右時,邊界層流體流動形式在流道內(nèi)表現(xiàn)為全發(fā)展流,換熱器效率最高。但缺點是加工制作難度加大,維修清理較困難,所以殼側(cè)不易使用經(jīng)常需要清理的介質(zhì)。

    2·2·2　折流桿式換熱器

    折流桿式換熱器由排布的支撐桿和其他元件形成折流柵來代替折流板,使流體在殼程形成一系列折流,既可以防震,還可以增加流動介質(zhì)的湍流度,提高管間給熱系數(shù)。折流桿式換熱器壓降很低,為弓形隔板的1/4以下,傳熱特性比也高,傳熱強化達(dá)1·3~2·4倍,應(yīng)用于有相變和無相變的流桿螺旋槽再沸器都能獲得比較滿意的效果。

    3·結(jié)語

    管殼式換熱器管程和殼程的強化傳熱的各種方法都是圍繞傳熱機理,從提高傳熱系數(shù)K、擴大傳熱面積A和增大傳熱溫差Δtm三種方面來實現(xiàn)。通過改變換熱管外形、改變殼程擋板和管支撐物的形式、改變殼程流程布置等途徑達(dá)到提高傳熱效率的目的。從而實現(xiàn)熱量的合理利用,降低設(shè)備成本,減少金屬材料消耗,實現(xiàn)工藝過程的節(jié)能減排。所以采用各種強化傳熱方法設(shè)計制造高性能的換熱器是較經(jīng)濟的開發(fā)和利用能源的最重要手段。