管殼式換熱器殼程強化傳熱評價方法分析

摘要:分析比較了現(xiàn)有的強化傳熱評價方法與評價指標(biāo)。通過分析管殼式換熱器殼程傳熱與阻力性能特點,指出管殼式換熱器殼程的強化傳熱研究,在采用能量系數(shù)Ｋ/Ｎ來評價強化傳熱時,應(yīng)更著眼于提高其傳熱性能。通過推導(dǎo)分析,說明采用α/ΔＰ1/3作為評價指標(biāo),能夠準(zhǔn)確評價殼程強化傳熱的性能。
　　關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;強化傳熱;殼程;評價方法
　　中圖分類號:ＴＫ134　　　文獻標(biāo)識碼:Ａ　　　文章編號:1007 2691(2007)02 0095 03
　　1　強化傳熱評價方法
　　要確定一項強化傳熱新技術(shù)是否先進,必須對其進行評價。但在實際的使用中,出現(xiàn)了多種評價強化傳熱的方法與評價指標(biāo)。最早對換熱器進行評價都采用單一參數(shù),例如總傳熱系數(shù)Ｋ和壓降ΔＰ,這兩個參數(shù)均與流體的流速有關(guān),故一般工程上采用在相同流速下比較總傳熱系數(shù)和壓降。有人主張采用換熱量Ｑ與消耗的泵(或風(fēng)機)的功率Ｎ的比值,即能量系數(shù)作為評價指標(biāo),類似的也廣泛采用Ｋ/ΔＰ以及無因次化的Ｎｕ/ζ來進行評價,為了更準(zhǔn)確地反映強化傳熱的性能,進一步也可以使用Ｋ/ΔＰ1/3及Ｎｕ/ζ1/3作為指標(biāo)[1～2]。隨著傳熱技術(shù)的發(fā)展,換熱器日益向體積小、重量輕的方向發(fā)展,同時在提高效率的前提下,要求操作費用降低。文獻[3～4]在綜合分析的基礎(chǔ)上,提出了一套較為完整的性能評價數(shù)據(jù),即維持輸送功率、傳熱面積、傳熱負(fù)荷3因素中的兩因素不變,比較第3因素的大小以評定傳熱性能的好壞。
　　這些評價都只是分析換熱器的能量在數(shù)量上轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況,即以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)。為了更準(zhǔn)確地反映熱量交換過程能量在質(zhì)量上的損失,在理論研究中也提出了許多基于熱力學(xué)第二定律的評價方法,即分析換熱器中火用的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況。文獻[5]提出了以熵產(chǎn)單元數(shù)Ｎｓ作為評價指標(biāo),文獻[6]等在熵產(chǎn)分析的基礎(chǔ)上提出強化傳熱性能因數(shù)來進行評價。有些學(xué)者還提出采用火用分析法[7～8]對換熱器進行評價,采用各種火用效率來作為評價指標(biāo),它與熵產(chǎn)分析法類似,能從能量的質(zhì)量上來討論流動與傳熱的關(guān)系。而進行技術(shù)推廣應(yīng)用時,還應(yīng)考慮采用強化換熱技術(shù)后管子等價格的增加和運行費用的變化,運用經(jīng)濟核算的方法進行評價,即熱經(jīng)濟學(xué)的評價方法。
　　而在實際的使用過程中,進行強化傳熱新技術(shù)、新方法的研究更多采用簡單易用的單一參數(shù)Ｋ,ΔＰ以及單一參數(shù)組合而成的Ｋ/ΔＰ,Ｋ/ΔＰ1/3來進行評價[9～11]。而基于熱力學(xué)第二定律的方法在設(shè)計過程中可用來判斷換熱器的性能,作為進一步改善的依據(jù),但在工程上缺乏實用性。
    2　管殼式換熱器殼程強化傳熱評價分析
    工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用各種類型的換熱器來實現(xiàn)熱量的合理利用,就使用的場合和數(shù)量來講,目前為止管殼式換熱器仍占據(jù)主要地位。采用各種強化傳熱方法設(shè)計制造高性能的換熱器是經(jīng)濟地開發(fā)和利用能源的最重要手段,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。這些強化傳熱的技術(shù)與方法一般可以分成管程強化與殼程強化兩個方面。目前殼程傳熱強化的途徑有3種:一是改變殼程擋板或管支撐物的形式,二是改變管子外形或在管外加翅片,另外還可以通過改變殼程流程布置來強化傳熱。要對這些途徑進行評價,應(yīng)該使用更合適的管殼式換熱器殼程強化傳熱的評價指標(biāo)。
    管殼式換熱器殼程進行強化傳熱研究時廣泛采用的仍是能量系數(shù)Ｋ/Ｎ作為評價指標(biāo),在此Ｋ為總傳熱系數(shù),而Ｎ為流體輸送機械的功率,可以看作殼程流體流過整個殼程管路的阻力。
    管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)Ｋ可以表示成下式
                 
    忽略管壁熱阻及污垢熱阻,簡化為
                 
    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。
    管殼式換熱器的阻力應(yīng)包括整個換熱系統(tǒng)的阻力,即Ｎ=ΔＰ1+ΔＰ2+ΔＰ3+ΔＰ4,其中ΔＰ1為換熱器接口管路的阻力,一般換熱器的進出口接口管路都會包括較多管件:閥門、彎頭、流量測量裝置等,因此這一部分會產(chǎn)生較大阻力;ΔＰ2為換熱器進口處的阻力,即可以簡化為一個突然擴大過程所產(chǎn)生的阻力;ΔＰ3為流體流過殼程管束的阻力;ΔＰ4相應(yīng)的為換熱器出口的阻力,可以簡化為一次突然縮小過程的阻力。一般來說換熱器殼程管束部分的阻力ΔＰ3在總阻力中只占據(jù)較小的份額[12]。
    由此可見對于管殼式換熱器殼程強化傳熱的研究而言,殼程的改進僅僅影響殼程對流傳熱系數(shù)α1與流體流過管束的阻力ΔＰ3,但殼程對流傳熱系數(shù)對總傳熱系數(shù)的影響顯然大于殼程管束阻力對殼程總阻力的影響,因此殼程對流傳熱系數(shù)與管束阻力相同幅度增大時都會使能量系數(shù)Ｋ/Ｎ增大。同時管束阻力不變時殼程對流傳熱系數(shù)的提高對能量系數(shù)的影響要大于α1不變而降低管束阻力對能量系數(shù)所帶來的影響。因此在管殼式換熱器的殼程進行強化傳熱應(yīng)更著眼于提高其對流傳熱系數(shù)。
    3　評價指標(biāo)分析與推導(dǎo)
    為了更準(zhǔn)確地描述殼程強化傳熱對殼程性能的影響,使用殼程對流傳熱系數(shù)與流體流過管束的阻力之比α1/ΔＰ3作為評價指標(biāo)。對于殼程最常使用的弓形折流結(jié)構(gòu)進行如下分析。
    由于折流結(jié)構(gòu)的影響,殼程的流體流動非常復(fù)雜,出現(xiàn)了多種不同的計算方法。無相變時殼程對流傳熱系數(shù)常采用Ｄｏｎｏｈｕｅ法或者Ｋｅｒｎ法來計算[13],Ｋｅｒｎ法計算公式為
              式中:ｕ0為按殼程流通截面積Ａ0計算的流速,ｍ/ｓ;而Ａ0=ｌｂ(Ｄ-ｎｅｄ0)。
    由上式可見,在其他條件不變時,殼程阻力與折流板間距的2次方成正比;而α1/ΔＰ3與折流板間距的-1 45次方成正比。因此如果采用這一指標(biāo)來進行評價,隨著折流板間距的減小,其性能持續(xù)增大,而實際使用中顯然折流板間距不能過小,可見這一指標(biāo)即使用于弓形折流結(jié)構(gòu)下的無相變換熱也并不合理。
    根據(jù)上述分析,要避免折流板間距改變的影響,應(yīng)該采用α1/ΔＰ31/3作為評價指標(biāo),這樣隨著殼程流體流速的改變,其綜合性能并不會改變。而殼程強化傳熱研究一般以弓形折流結(jié)構(gòu)下的光滑管束作為比較的參照,因此也可以采用這一指標(biāo)來對其綜合性能進行評價。
    4　結(jié)論
    (1)通過分析管殼式換熱器殼程傳熱與阻力性能特點,說明在采用能量系數(shù)Ｋ/Ｎ來評價強化傳熱時,應(yīng)更著眼于提高其換熱性能。
    (2)通過分析比較弓形折流結(jié)構(gòu)無相變換熱時殼程對流傳熱系數(shù)與殼程管束阻力的計算,表明采用α1/ΔＰ31/3作為評價指標(biāo),能更準(zhǔn)確反應(yīng)強化傳熱的性能。