管殼式換熱器的節能分析

劉翠茹　徐仁

 (天津普萊化工技術有限公司)

    摘　要：換熱器中采用節能技術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、制藥等行業的節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和殼程強化傳熱方法,分析了各自的原理、優缺點及推薦使用場合。

    關鍵詞：換熱器　強化傳熱　節能

    0　前言

    在石化和化工制藥設備的換熱器系統中,管殼式換熱器以其結構堅固、可靠性高、適應性強等優點在化工生產和使用中一直占主導地位,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計和使用中,積極考慮強化傳熱的新技術、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的節能減排工作有著重要意義。

    1·管殼式換熱器的傳熱原理

    根據傳熱學基本公式

    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K;增大換熱面積F;加大對數平均溫差Δtm。增大換熱面積和加大對數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備體積龐大和投資費用的大幅度增加,而加大對數平均溫差又要受到公用工程條件和分離物系性質的限制。只有提高傳熱系數,才是強化換熱最有效的途徑。傳熱系數K是換熱器的主要性能參數,眾所周知其計算公式為：

    由式(2)可知,傳熱系數K值的大小與管內換熱系數αi、管外換熱系數αo、管內和管外的污垢系數ri和ro、換熱管的外徑與內徑之比do/di、換熱管材料的熱導率λw以及管厚度δw有關。而換熱管的材料、規格一旦選定,則管外徑與內徑之比、壁厚及導熱系數等參數也隨之確定下來。所以,提高管內、外換熱系數αi和αo、降低污垢系數ri和ro,才能夠提高換熱器的總傳熱系數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、外換熱系數、降低管內、外污垢系數。管殼式換熱器的強化傳熱研究經過多年發展,目前已經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,從而使管程強化傳熱有了較大的突破。

    低肋管是開發較早的換熱管之一,主要應用于強化沸騰傳熱,不僅其換熱系數較高,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%。距有關資料證明,在相同雷諾數Re下,低肋管外的膜傳熱系數是光滑管的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環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、外螺紋管與光滑管的對比可看出螺紋管在強化傳熱和節能等方面的優點,內、外螺紋管換熱器可提高傳熱系數,螺紋管的總傳熱系數為光滑管的兩倍以上。在滿足生產的情況下,兩臺內外螺紋管換熱器具有三臺光滑管換熱器的傳熱能力。對于相同結構的管殼式換熱器,內、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生可起到延緩和抑制作用,因而可降低污垢系數ri和ro,減少熱阻,提高傳熱效率。

    波紋管是管內流道截面連續不斷地突變,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,難以形成層流,使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內、外傳熱被同時強化,因而傳熱系數很高,一般為傳統管殼式換熱器的2~3倍。

    2·1·2　適當提高管內流速

    管內的對流換熱系數αi與管內流體的流動狀態有極大關系,流動狀態的改變可借助于提高流速,傳熱系數隨著流速的提高而增加。但當流速提高到一定程度時,傳熱系數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,在設計換熱器時,可適當加大管內流速,以提高管內換熱系數,強化管內傳熱。

    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α1小于管程對流換熱系數α2,所以在殼程進行強化傳熱的改進,可以使總傳熱系數K有較大提高。設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。

    2·2·1　管間支撐結構的改善

    傳統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致使傳熱系數提高降低;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重損失;在隔板與殼體和換熱管之間,若旁路流和泄漏流現象嚴重將降低流體的有效質量流速。為了改善流體在殼側的傳熱性能,相繼推出一些優化結構。

    (1)異型隔板換熱器

    異形隔板是通過對隔板的結構和安排的改變來引起殼側流體的流動速度和流動方式的變化,從而減少殼側易結垢的死區來提高換熱系數。并且隔板在列管式換熱器中還有支撐管、實現流體預期速度、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,可使流體在殼側作螺旋運動,流體在流道內流動長度增加,且流動平滑因而在流道中流速和壓差分布比較均勻,所以帶來一系列優點:擋板、管束和殼壁之間的泄漏流、旁路流、反混現象會大量的減少,流動死區也基本消除。從而使得殼側污垢面積大大減少,總體上減少了滯留區而增加了湍流度,提高了殼側的傳熱系數并降低了壓降。此外,該結構還能增強管束的穩定性,防止震動。實驗結果表明,與相同工況下的直擋流板相比,螺旋隔板殼側努塞爾數可提高49·4%。在螺旋角為40℃左右時,邊界層流體流動形式在流道內表現為全發展流,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,所以殼側不易使用經常需要清理的介質。

    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的湍流度,提高管間給熱系數。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1·3~2·4倍,應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K、擴大傳熱面積A和增大傳熱溫差Δtm三種方面來實現。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到提高傳熱效率的目的。從而實現熱量的合理利用,降低設備成本,減少金屬材料消耗,實現工藝過程的節能減排。所以采用各種強化傳熱方法設計制造高性能的換熱器是較經濟的開發和利用能源的最重要手段。