管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)應(yīng)重視流速和壓力降的選取

                     管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)應(yīng)重視流速和壓力降的選取
                               呂江平1，李薇1，王曉萍2，伍家衛(wèi)1
    (1．蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730060；2．蘭州石化研究院，甘肅蘭州730060)

[摘要]《化工原理》管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)往往不重視流體流速和壓力降對(duì)于換熱器的影響，文章通過分析指出其不合理之處，提出合理的管殼式換熱器設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)對(duì)《化工原理》課程設(shè)計(jì)提出建議。
    [關(guān)鍵詞]管殼式換熱器；選型設(shè)計(jì)；流速；壓力降
    [中圖分類號(hào)]TH[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1007-1865(2011)09-0178-02
    目前《化工原理》教材在描述管殼式換熱器選型設(shè)計(jì)時(shí)，不注意流體流速和壓降的選取，給學(xué)生造成誤解，以為流速大小無關(guān)緊要，壓力降大小只要不大于給定的允許值即可，至于其它可不予考慮。比如有這樣一道例題：欲用井水將15000 kg/h的煤油從140℃冷卻到40℃，冷水進(jìn)出口溫度分別為30℃和40℃。若要求換熱器的管程和殼程壓降不大于30 kPa，試選擇合適型號(hào)的列管式換熱器。假設(shè)管壁熱阻和熱損失可以忽略[1]。定性溫度下流體物性于表1。

            
    本題通過計(jì)算求得：管程流速ui=0.704 m/s管程壓力降∑?pi=9.35 kPa＜30 kPa，殼程流速u0=0.26 m/s，殼程壓力降∑?pi=5.93 kPa＜30 kPa。
    由計(jì)算結(jié)果來看，無論是管程流速，還是殼程流速都明顯偏小，同時(shí)壓力降也未充分利用，管程壓力降用了30%，殼程壓力降僅利用了15%。設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果是否合適，所選換熱器是否經(jīng)濟(jì)，討論如下。
    1·關(guān)于流速的分析
    換熱器的傳熱面積與管、殼程流速聯(lián)系密切，流速增大，流體湍流程度增大，管程側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)增大(管程側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)αi與ui0.8成正比)，殼程側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)亦增大(殼程側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)αo與uo0.55成正比)；流速增大，還可減少污垢在管子表面沉積的可能，管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻Rsi、Rs0減小，從而使換熱器總傳熱系數(shù)K值增大，換熱面積減小，設(shè)備投資減少；但同時(shí)流體阻力增大，壓力降增大，動(dòng)力消耗增大，操作費(fèi)用增大。由此可見，流速和壓降密切相關(guān)，ｕ和Δｐ是換熱器設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)。
    例如，蘭州煉油廠常減壓裝置有一臺(tái)換熱器，原來常一線走殼程，原油走管程，總傳熱系數(shù)K=60 W/(m2·℃)，換熱效果不好；將原油改走殼程，常一線改走管程，其它條件不變，由于流速增加，總傳熱系數(shù)K=192 W/(m2·℃)，K值提高了2倍多。由此可見，流速對(duì)換熱效果的影響多么顯著[2]。
    對(duì)于換熱器的管、殼程流速許多資料都有規(guī)定，其中《冷換設(shè)備工藝計(jì)算》[3]規(guī)定：循環(huán)水在鋼管中的適宜流速為1.8~2.4m/s，殼程液體流速約為管程的一半。有人認(rèn)為，絕大多數(shù)情況下，殼程流速應(yīng)是0.9~1.52 m/s，對(duì)在此范圍以外時(shí)，應(yīng)持懷疑的態(tài)度[4]。因此，在不引起沖蝕振動(dòng)的情況下，流速應(yīng)盡量高些。

            
    2·關(guān)于壓力降的分析
    流速ｕ增大，會(huì)引起壓力降Δｐ的增加，因此不能認(rèn)為流速越大越好，還應(yīng)考慮壓力降的大小。如何協(xié)調(diào)好二者的關(guān)系是一個(gè)難點(diǎn)。一般根據(jù)關(guān)聯(lián)式得到的壓力降往往偏大[5]。流體在換熱器內(nèi)的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，Tinker將殼側(cè)流動(dòng)劃分成5個(gè)基本流股A、B、C、E、F(見圖1)。

    A流，一些流體通過管子與隔板之間的間隙流過，也稱為漏流。B流，指任意兩個(gè)擋板之間掠過管束的流動(dòng)。這股流體與理論分析流體流過管束的狀態(tài)最為接近。設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在允許壓降范圍內(nèi)盡量增加B流的比例，這股流體又稱為錯(cuò)流。C流，一部分流體會(huì)從殼體與外層管之間流過，因?yàn)樗鼈儾煌ㄟ^管束，所以稱為旁路流。這部分流體在固定管板和U形管束換熱器中是很小的。但對(duì)于浮動(dòng)管箱設(shè)計(jì)來說，由于間隙大，這部分流體量也很大。為減少這種旁路流，一般采用密封帶或虛設(shè)管子的辦法。E流，與A流相似，由于在隔板與殼側(cè)內(nèi)徑之間存在間隙，所以隔板外徑與殼體內(nèi)徑之間有漏流。F流，當(dāng)管束分為幾部分時(shí)，分程隔板與管子之間的漏流。
    對(duì)于熱量傳遞，橫越管束的B流效果最好，A流接近于B流，這是由于它也能有效地與管子接觸，C流和F流僅僅部分地與管子接觸，而E流則完全不與管子接觸。因此它們對(duì)換熱的影響排列為B>A>(C、F)>E，所以，在制造和設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，應(yīng)該努力增加B流而減少E和C、F流[5]。
    從流體流動(dòng)特性上講，橫向流動(dòng)B流的壓降，起著其它流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的作用，迫使部分液流穿過盲板泄漏和旁路間隙短路。典型的管殼式換熱器殼側(cè)總壓降，是相應(yīng)的沒有折流板泄漏，管束旁路影響換熱器壓降計(jì)算值的20%~30%，因而壓力降計(jì)算值往往高出實(shí)際值很多，這正是早期大多數(shù)換熱器設(shè)計(jì)嚴(yán)重失敗之所在。由于不知道泄漏和旁路會(huì)給壓降造成很大的影響，有些計(jì)算將殼側(cè)壓降高估了一倍，甚至9倍也不罕見[5]。
    目前，還沒有通過折流板窗口繞流的壓力降精確計(jì)算方法，有些公式，如kern法計(jì)算壓降時(shí)，沒有考慮旁路和泄漏面積的影響，計(jì)算公式較簡單，但壓降偏于安全(通常高于100%)。
    由于設(shè)計(jì)計(jì)算所用關(guān)聯(lián)式，使壓力降普遍偏高，即壓力降計(jì)算余量較大，導(dǎo)致實(shí)際殼程流速ｕ0顯著小于計(jì)算值，殼程對(duì)流傳熱系數(shù)α0較小，從而使換熱器總傳熱系數(shù)K值較小。鑒于此，應(yīng)充分利用設(shè)計(jì)要求的允許壓力降ΔP允，即使相等也仍然存在較大的富裕量，這或許正是壓力降計(jì)算值與允許值之間沒有安全系數(shù)的原因。設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，如果計(jì)算值與規(guī)定值相差較大，就應(yīng)持懷疑態(tài)度，對(duì)設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的改進(jìn)。
    3·工程設(shè)計(jì)中壓力降的應(yīng)用
    工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先確定換熱器壓力降，然后據(jù)此確定上游設(shè)備的壓力或負(fù)荷。對(duì)于泵輸送的流體介質(zhì)，由于泵規(guī)格之間級(jí)差很大，所選泵的揚(yáng)程常有富裕，但裕度不能太大，太大會(huì)使泵所做的一部分功白白地消耗在調(diào)節(jié)閥等阻力元件上。根據(jù)離心泵特性曲線，應(yīng)使泵在高效區(qū)工作。因此，換熱器壓力降選用與泵選型相結(jié)合，充分利用泵所做的功，提高換熱器流體速度，從而升高K值，是非常合理有效的方法。
    有時(shí)，依靠兩設(shè)備間的壓力差作為流體流經(jīng)換熱器的動(dòng)力。對(duì)于這種情況，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取換熱器的合理壓降，考慮一定的安全系數(shù)后確定上游設(shè)備與換熱器的壓力差[3]。
    4·結(jié)語
    (1)目前《化工原理》課程設(shè)計(jì)中，先初選換熱器型號(hào)，確定其結(jié)構(gòu)尺寸，然后求出u、Δｐ，只要Δｐ＜Δｐ允即可，而不計(jì)二者相差很大，不考慮Δｐ允的利用率是不合理的，應(yīng)引起注意。同時(shí)換熱器的管、殼程流速應(yīng)在合理的流速范圍內(nèi)。
    (2)《化工原理》課程設(shè)計(jì)題目，要么不要明確給出Δｐ允值，由學(xué)生根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范自己決定，然后根據(jù)如下步驟：Δｐ→ｕ→估計(jì)K值，初選型號(hào)→校核K值→確定型號(hào)；要么給定Δｐ值，據(jù)此計(jì)算的傳熱面積可能與標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)偏差較大，可鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出傳熱效率優(yōu)良的換熱設(shè)備。
    總之，通過《化工原理》課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生深刻理解u和Δｐ是換熱器的兩個(gè)重要參數(shù)。只有選擇合理的流速和壓降，才可能使設(shè)計(jì)的換熱器既滿足技術(shù)指標(biāo)，又保證經(jīng)濟(jì)適用。
    參考文獻(xiàn)
    [1]姚玉英．化工原理(新版)(上)[M]．天津：天津大學(xué)出版社，1999，8：279-281．
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    [3]石油化學(xué)工業(yè)部石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院編寫．冷換設(shè)備工藝計(jì)算[M]．北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1976，9：3-117．
    [4]N．P里波曼．工藝設(shè)計(jì)—如何確保操作可靠[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991，2：109-117
    [5]EU．施林德爾．換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三卷)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998，12：56-97．
    (本文文獻(xiàn)格式：呂江平，李薇，王曉萍，等．管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)應(yīng)重視流速和壓力降的選取[J]．廣東化工，2011，38(9)：178-179)