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(duì)推進(jìn)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(qiáng)化傳熱技術(shù)和殼程強(qiáng)化傳熱方法,分析了各自的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及推薦使用場(chǎng)合。

    關(guān)鍵詞：換熱器　強(qiáng)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(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)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(jì)和使用中,積極考慮強(qiáng)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(duì)推進(jìn)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(duì)數(shù)平均溫差Δtm。增大換熱面積和加大對(duì)數(shù)平均溫差都不是理想的途徑,一味地增加換熱面積勢(shì)必會(huì)造成設(shè)備體積龐大和投資費(fèi)用的大幅度增加,而加大對(duì)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(qiáng)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(jì)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(lái)。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(qiáng)化傳熱方法

    由傳熱機(jī)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(qiáng)化傳熱研究經(jīng)過(guò)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(qiáng)化與殼程強(qiáng)化兩個(gè)方面分析管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法。

    2·1　管程強(qiáng)化

    2·1·1　傳熱管的改進(jìn)

    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(qiáng)化邊界層湍流度提高傳熱系數(shù),從而使管程強(qiáng)化傳熱有了較大的突破。

    低肋管是開(kāi)發(fā)較早的換熱管之一,主要應(yīng)用于強(qiáng)化沸騰傳熱,不僅其換熱系數(shù)較高,而且能有效地?cái)U(kuò)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(diǎn):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?jī)?yōu)于下部,不過(guò)隨著熱流率增加差距會(huì)逐漸減少,此外該管型帶來(lái)的流動(dòng)阻力會(huì)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(qiáng)化對(duì)流、冷凝傳熱。從內(nèi)、外螺紋管與光滑管的對(duì)比可看出螺紋管在強(qiáng)化傳熱和節(jié)能等方面的優(yōu)點(diǎn),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(tái)內(nèi)外螺紋管換熱器具有三臺(tái)光滑管換熱器的傳熱能力。對(duì)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(duì)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(duì)流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內(nèi)、外傳熱被同時(shí)強(qiáng)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(duì)流換熱系數(shù)αi與管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)有極大關(guān)系,流動(dòng)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(shí),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(jì)換熱器時(shí),可適當(dāng)加大管內(nèi)流速,以提高管內(nèi)換熱系數(shù),強(qiáng)化管內(nèi)傳熱。

    2·2　殼程強(qiáng)化

    從間壁傳熱原理上講,殼程強(qiáng)化在提高整個(gè)換熱器傳熱效率較管程更為有效,在無(wú)相變換熱的情況下,一般殼程對(duì)流換熱系數(shù)α1小于管程對(duì)流換熱系數(shù)α2,所以在殼程進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的改進(jìn),可以使總傳熱系數(shù)K有較大提高。設(shè)計(jì)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(jìn)行流動(dòng),使流體不斷沖擊邊界層。同時(shí),使截面最好能不斷改變流體的流動(dòng)方向,如有意識(shí)地使流道截面不間斷地縮小、擴(kuò)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(qiáng)烈的擾動(dòng),從而提高管外的對(duì)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(dòng),該流動(dòng)方式造成在隔板和殼壁相連處存在流動(dòng)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(dòng)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(guò)對(duì)隔板的結(jié)構(gòu)和安排的改變來(lái)引起殼側(cè)流體的流動(dòng)速度和流動(dòng)方式的變化,從而減少殼側(cè)易結(jié)垢的死區(qū)來(lái)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(shí)現(xiàn)流體預(yù)期速度、減少管子震動(dòng)的作用。目前常見(jiàn)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(yùn)動(dòng),流體在流道內(nèi)流動(dòng)長(zhǎng)度增加,且流動(dòng)平滑因而在流道中流速和壓差分布比較均勻,所以帶來(lái)一系列優(yōu)點(diǎn):擋板、管束和殼壁之間的泄漏流、旁路流、反混現(xiàn)象會(huì)大量的減少,流動(dòng)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(qiáng)管束的穩(wěn)定性,防止震動(dòng)。實(shí)驗(yàn)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(shí),邊界層流體流動(dòng)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(diǎn)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(lái)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(dòng)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(qiáng)化達(dá)1·3~2·4倍,應(yīng)用于有相變和無(wú)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(yǔ)

    管殼式換熱器管程和殼程的強(qiáng)化傳熱的各種方法都是圍繞傳熱機(jī)理,從提高傳熱系數(shù)K、擴(kuò)大傳熱面積A和增大傳熱溫差Δtm三種方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的節(jié)能減排。所以采用各種強(qiáng)化傳熱方法設(shè)計(jì)制造高性能的換熱器是較經(jīng)濟(jì)的開(kāi)發(fā)和利用能源的最重要手段。