大型空分設(shè)備板翅式換熱器偏流問題分析

                        毛央平,毛紹融

  (杭州杭氧股份有限公司,浙江省杭州市東新路388號　310004)

    摘要：隨著空分設(shè)備大型化,為其配套的換熱器體積也不斷增大,由此帶來的偏流問題會降低換熱器的傳熱效率。從板翅式換熱器的設(shè)計、制造和外圍管道布置兩方面分析了引起換熱器偏流的原因,并提出解決換熱器偏流問題的措施。

    關(guān)鍵詞：板翅式換熱器;偏流;傳熱性能;流動性能;管道布置

    中圖分類號：TB657·5　　　文獻標識碼：A

    板翅式換熱器是一種被廣泛應(yīng)用的高效、緊湊式換熱器,多用于大型空分設(shè)備。隨著空分設(shè)備大型化,配套換熱器總體積逐漸增大,單個換熱單元截面積增大,換熱單元數(shù)也增多。例如,目前為60000 m3/h空分設(shè)備配套的主換熱器共由20臺換熱器組成,每臺截面尺寸為1250 mm×1250 mm。這容易引起一些換熱器偏流問題,使換熱器傳熱效率大大降低。換熱器本身的設(shè)計、制造和管道布置都會引起偏流,下面就這兩點加以討論。

    1　換熱器的設(shè)計、制造

    盡可能避免偏流,提高換熱器換熱效率,是節(jié)能降耗的需要。偏流是由于換熱器內(nèi)部阻力不同而引起的流道內(nèi)流量不同,流道內(nèi)部阻力越大,流經(jīng)的流量就越少,以達到進、出口壓力均衡。設(shè)計單臺換熱器需考慮寬度方向和厚度方向的氣流均布問題,盡可能使每個流道對稱布置。在同層流道內(nèi),寬度越寬,越要合理設(shè)計導(dǎo)流片,使得流體在寬度方向的任一處流道長度都一致,這樣才能保證氣流在寬度方向均布。在換熱器厚度方向,封頭形狀的設(shè)計、進出口管位置的布置、接管的大小都會引起厚度方向同種流體各層之間流量不均勻。在換熱器內(nèi)部,翅片是板翅式換熱器的關(guān)鍵零部件,對整臺換熱器的傳熱性能和流動性能起決定作用。影響這兩個性能的因素很多,主要為翅片的厚度偏差、成形及釬焊質(zhì)量。

    1·1　材料厚度偏差引起的流動阻力偏差

    翅片厚度偏差雖然引起的單位傳熱面積差別不大,但對流體的流動阻力影響較大,易引起偏流,從而影響換熱性能?，F(xiàn)以下面一組數(shù)據(jù)來說明:同等規(guī)格(等翅高、等節(jié)距、同類型)翅片名義厚度為0·2 mm的鋁箔,當材料厚度偏差為±0·03 mm時(根據(jù)GB/T 3880·1—2006標準要求),翅片流動阻力大小可相差19·63%;當材料厚度偏差為±0·015 mm時(根據(jù)HTA 2631—2008標準要求),翅片流動阻力大小可相差9·38%;當材料厚度偏差為±0·01 mm時,翅片流動阻力大小可相差6·16%。

    根據(jù)第一種流動阻力偏差所制成的翅片,用于為大型空分設(shè)備配套的多臺并聯(lián)換熱器,勢必存在較大的偏流問題,由此引起的流體偏流量可達9·4%,嚴重影響換熱性能。為保證換熱器的性能,若僅考慮此因素,設(shè)計余量應(yīng)不小于9·4%。根據(jù)第三種流動阻力偏差所制成的翅片,其引起的流體偏流量只有3%。對應(yīng)此種翅片,考慮偏流問題(兩者相差6·4%)所需設(shè)計余量可以降至3%?？梢娫诓牧嫌嗀浐万炇諘r,應(yīng)嚴格控制翅片材料的厚度偏差。

    同時在翅片的生產(chǎn)管理方面,盡可能做到同一臺換熱器使用同一批材料加工。因為同一批材料的厚度公差基本相同,所以用其加工的翅片尺寸公差也容易接近,達到減少零件尺寸公差的目的。如果同一臺換熱器使用不同批次的材料生產(chǎn)翅片,其尺寸公差不同,導(dǎo)致每一層的翅片高低都不一樣,難以實現(xiàn)每一層的流體流量相同。因此,在生產(chǎn)過程中應(yīng)考慮這一因素對換熱器效率的影響,盡量做到同一臺換熱器使用同一批材料加工,至少做到同一種流體使用同一批材料加工的零件。同樣材料定點供應(yīng),也是減小偏流的重要措施之一。流動阻力偏差值影響流體的流動,在大型空分設(shè)備配套多臺換熱器并聯(lián)使用的情況下,會產(chǎn)生嚴重偏流,這不僅使換熱器整體阻力增加,而且嚴重影響其傳熱性能。

    1·2　翅片制造誤差引起的偏流

    (1)刀具安裝問題,尤其是翅片高度上的誤差,會使換熱器每一層的流動截面不完全相等;翅片節(jié)距不完全相等,同樣使流體流動截面不相等。

    (2)由于刀具磨損,新刀具和舊刀具所沖制的翅片摩擦因子f值會不同。當沖制的翅片f值與新刀具的差值大于標準范圍時就應(yīng)更換刀具。應(yīng)確定刀具的合理使用壽命,“刀具不損壞不換”的狀況不允許存在。

    (3)控制新刀具的質(zhì)量。由各個新刀具加工出來的翅片f值相差很大,這主要與刀具本身質(zhì)量和刀具安裝有關(guān)系。因此建議嚴格控制刀具的檢驗及刀具安裝間隙等影響翅片性能的要素。

    1·3　釬焊工藝的影響

    釬焊是決定板翅式換熱器翅片尺寸變形量的關(guān)鍵工藝。要保證流體分布的均勻性,同一種流體的每一層通道,其翅片尺寸的變形程度也要求均勻。也就是說,不管這股流體的通道在換熱器的什么部位,都要求有一樣的翅片尺寸變形量(熱變形量)。每一層翅片的高度,不僅受零件制造誤差的影響,而且在更大程度上受制于釬焊工藝。

    首先,在釬焊過程中,由于溫度在產(chǎn)品的各個方位上不可能完全相等,因此產(chǎn)品的熱變形程度在產(chǎn)品的各個方位上也不相同,溫度高的地方,釬料流失得多;更重要的是,此處零件比溫度低的地方熱變形量大,使通道高度變低。

    其次,翅片熱變形量在很大程度上受壓力的制約,由于產(chǎn)品的夾緊力相同,因此產(chǎn)品本身的重量對熱變形的影響很大。重量影響是由上而下逐漸增加的,產(chǎn)品最上部的重量影響僅是零件本身的重量影響,而下部的重量影響則是整個產(chǎn)品所有零件重量疊加形成的影響。所以產(chǎn)品最上部的一些通道層的翅片所受壓力小、熱變形量小;而產(chǎn)品最下部的一些通道層的翅片所受壓力大、熱變形量也大。這種由于翅片所受壓力的不同而造成的變形不等,嚴重影響了通道流通截面的均勻性。有時溫度高低的影響和重量大小的影響正好成疊加關(guān)系,即溫度高的地方剛好重量也最重,因此變形量最大。

    在釬焊過程中,如何控制工件的最上和最下部的同種流體通道,創(chuàng)造相同的翅片熱變形量的條件(溫度、壓緊力及組合的影響),還需要深入研究,這也正是釬焊工藝技術(shù)高低的具體體現(xiàn)之一。

    2　管道布置

    外圍管道布置合理對換熱器的偏流影響不容忽視,最佳的布置方式是換熱器進、出口管完全對稱布置,其次是進、出口管U形布置,最差是進、出口管Z形排列?，F(xiàn)以3臺和4臺換熱器并聯(lián)使用為例,分析管道布置對換熱器偏流的影響。換熱器進、出口管布置形式如圖1所示。

               

                

                   圖 1　換熱器進、出口管布置形式

    假設(shè): A管截面積為Sa,流體密度為ρa; B管截面積為Sb,流體密度為ρb; 001#~003#換熱器是設(shè)計參數(shù)相同的3臺并聯(lián)換熱器,流體(流量為1 g/s)從A管進、B管出。狀態(tài)能E包括熱力學(xué)能(U)、動能(1/2mC2)和位能,這里不考慮熱力學(xué)能,則點1~點6處的流體線速度Cf、質(zhì)量m、動能和位能見表1。

    進、出口管U形布置和Z形布置的換熱器兩端位能差見表2。



    換熱器兩端的位能差直接影響流體通過換熱器的流量。若換熱器在同種流體下的阻力相等,則由于進、出口管位能差的不等而使并聯(lián)的3臺換熱器流量不等,位能差大的流量就大;反之則小,形成偏流現(xiàn)象。

    某6000 m3/h空分設(shè)備換熱器某流體進、出口位能差的對比見表3。由表3可知,并聯(lián)換熱器的U形布置位能差最大值和最小值相差47·9669 J,而Z形布置位能差最大值和最小值相差79·81 J,兩者相差66%左右。

    同理,可以得出4臺換熱器并聯(lián)的位能差,見表4。并聯(lián)換熱器的U形布置位能差最大值和最小值之間相差47·5632 J,而Z形布置位能差最大值和最小值之間相差80·9732 J,兩者相差70%左右。

              

    通過3臺與4臺換熱器并聯(lián)的情況比較,可以得出:進、出口管Z形布置換熱器的偏流率大于U形布置的偏流率,但無論是U形布置還是Z形布置,每臺換熱器都存在位能差,這就必然導(dǎo)致偏流,并且隨著換熱器并聯(lián)臺數(shù)的增多,位能差值增大,偏流也越來越大。

    為使每臺并聯(lián)換熱器的位能差盡可能接近,在U形布置中,一方面可保持進、出口集氣管中的流體流速一致,使3臺或更多臺換熱器的位能差為0。在設(shè)計空分設(shè)備用換熱器時,需擴大熱端管徑或縮小冷端管徑來達到這個效果。擴大管徑給管道布置增加難度,縮小管徑則使管道阻力增大,設(shè)計時兩者需達到某個最佳值。另一方面,可使用不等徑的集氣管,進氣端直徑大,隨著集氣管中流量減小,其直徑也逐步減小,使各換熱器進、出口處的流量與速度基本接近。在換熱器并聯(lián)臺數(shù)較多的場合,這樣的集氣管布置方式對減少偏流很有意義,而且行之有效。

    3　結(jié)束語

    由于造成換熱器偏流的因素很多,設(shè)計、制造、翅片材料偏差、成形及釬焊等任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)流動阻力不一致而產(chǎn)生偏流,所以應(yīng)該建有一整套科學(xué)、合理的測試、檢驗方法來保障換熱器的總體質(zhì)量。特別是對于換熱器管道布置,一方面由于空間、位置等條件的限制,不能達到進、出口管對稱布置,應(yīng)優(yōu)先選擇U形布置,避免使用Z形布置;另一方面,當為大型空分設(shè)備配套的多臺換熱器并聯(lián)使用時,需要根據(jù)管道布置,計算出每點的位能,然后根據(jù)換熱器內(nèi)部實測的氣阻值,合理搭配換熱器的排布,可以有效減少偏流,提高換熱器的傳熱效率。