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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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換熱器殼程流路分析及折流與逆流的換熱偏差

點擊:1446 日期:[ 2014-04-26 21:35:58 ]
                     換熱器殼程流路分析及折流與逆流的換熱偏差                                  鄧先和 蔣夫花                     (華南理工大學化學與化工學院,廣東廣州510640)     摘 要:熱流體與冷流體的出口溫度比α對換熱器的有效傳熱溫差有重要影響,不同的α代表不同的換熱深度.為探討管殼式換熱器換熱深度與長徑比的關系,文中采用流路分析法對換熱器殼程折流區域的傳熱性能進行數學分析,并與純逆流情況作對比.結果表明:在深度換熱的臨界點(α=1),折流區域的換熱性能遠低于逆流換熱,應避免折流區域靠近臨界點操作;換熱器折流與逆流區域傳熱溫差的偏離量隨α變化,為避免偏移量過大,應控制折流區域面積占總傳熱面積的比例;α<1時,為使傳熱溫差偏移小于5%,應使折流區域面積占總傳熱面積的比例小于0·6/R1a, c(R1a, c為臨界點逆流冷流體出口、進口溫差與算術平均溫差之比).文中揭示了現有換熱器結構大型化之后難以實現α<1的原因,并給出了一種可以增加換熱深度受限的有效結構———殼程多通道結構.     關鍵詞:換熱器;逆流;折流;傳熱溫差;流路分析;優化設計     中圖分類號:TK124    do:i 10. 3969/.j issn. 1000-565X. 2010. 08. 003     文章編號:1000-565X(2010)08-0012-05     冷熱流體經換熱器換熱后,出口溫度的比例狀況對換熱器有效傳熱溫差的影響非常重要.定義熱流體與冷流體的出口溫度之比(TH2/TL2)為α,當TH2<TL2時,α<1,此時換熱器進入了深度換熱的狀態.在工業中經常會遇到一些需要冷熱流體深度換熱的場合,例如在硫酸生產轉化系統中SO2/SO3氣體的深度換熱[1].冷熱流體在換熱器中要實現深度換熱必須具備一些基本條件,文中將對此作定量的數學分析.     一般來說,在采用逆流形式的換熱器中易實現冷熱流體間的深度換熱,而在錯流形式的換熱器中則很難實現.在工業中,換熱器的殼程結構形式多種多樣,殼程支撐物有圓缺形折流板[2-3]、螺旋折流板[4-6]、空心環網板[7]或旋流片網板支撐[8-9].但無論換熱器采用哪種支撐物,在殼程流路中都必然包括兩個以上的折流換熱區域.換熱器中有一種流動形式既非純逆流,也非純錯流,而是先錯流而后逆流,文中稱之為折流.折流換熱包含了冷熱流體的先錯流換熱和后逆流換熱兩個部分,因此折流傳熱溫差的有效利用程度介于錯流與逆流換熱之間.由于現代工業的生產規模越來越大,換熱器的傳熱管長度在相同的生產工藝條件下會保持基本不變,而殼體直徑卻隨著流體流量的增大而增大,這使得換熱器的長徑比越來越小,換熱器中流體錯流換熱區域的比例越來越大,逆流換熱的比例越來越小,由此勢必造成換熱器傳熱性能的顯著下降,尤其是在需要冷熱流體作深度換熱的場合.而換熱器設備的超大型化在國內外是在近十幾年才出現的發展新趨勢,所以相關的換熱器大型殼程結構研究極少,至今還未發現有關換熱器長徑比對傳熱溫差損失的研究文獻.目前在各類常用的換熱器設計資料[10-11]中,均沒有提供換熱器折流區域傳熱溫差損失的計算方法,這在換熱器的長徑比較大(大于3以上)的情況下對設計結果影響不顯著,但在換熱器的長徑比較小(小于2·5)和α<1的情況下,換熱器折流區域傳熱溫差損失的影響會顯著增大,若不考慮傳熱溫差損失,按常規的換熱器設計方法設計,其設計的傳熱性能就會與實際情況出現明顯的偏差.為定量說明這一問題,文中通過對換熱器逆流與折流區域流路進行傳熱分析,找出換熱器折流區域的傳熱性能在不同的換熱深度條件下較逆流換熱過程性能下降的幅度,給出換熱器折流與逆流區域面積合理配置的方法,從而為換熱器的深度換熱設計提供參考依據.     1·換熱器逆流與折流區域流路的傳熱分析     1. 1 換熱器逆流區域流路的傳熱分析     設定換熱器中冷流與熱流的質量流率分別為WL、WH,比熱容分別為cpL、cpH;冷流體的進出口溫度分別為TL1、TL2,熱流體的進出口溫度分別為TH1、TH2;換熱器的傳熱面積為A,總傳熱系數為Km.按能量守恒方程,有:                    1.2 換熱器折流區域流路的傳熱分析     如圖1所示,設定在換熱器中折流換熱的冷熱流體均等分為N股各自獨立的流路,同一側的N股流路相互之間沒有質量與熱量交換.管程流體是沿管束的縱向在管內流動;殼程流體先沿管束的橫向在管間流動,與管程縱向流體呈錯流換熱,之后分別在管束折流段區域的對角線處折流為縱向流動,與管程縱向流體呈逆流換熱.設管程、殼程流體的溫度分布分別為TH(i, j)和TL(i, j), i代表第i根管內流體在橫向上的不同位置, j代表管外流體在垂直方向上的不同位置,見圖1.                   在冷流與熱流的每一個交匯處,按能量守恒方程,均有     WLcpLTL(i-1, j) /N+WHcpHTH(i, j-1) /N=WLcpLTL(i, j) /N+WHcpHTH(i, j) /N (7)     設與逆流換熱的條件相同,換熱器的傳熱面積依然為A,折流區域的傳熱面積A按N×N個微元面積等分為Ai=A/N2,在每個微元面積Ai上的總傳熱系數Km, i=Km,均為一常數.根據傳熱方程,在對角線的下方(i<j),有     q=WLcpL[TL(i,j)-TL(i-1, j)] /N=KmAi·[TH(i, j)-TL(i, j)] (8)     當換熱器的冷熱流體質量流率、比熱容和入口溫度為已知條件時,從式(7)-(8)可以得到換熱器的冷熱流體在對角線的下方的第(i, j)個微元面積的出口溫度分別為:                  在對角線(i=j )上方區域的換熱過程中,第i股熱流體與對角線上的第j股冷流體在對角線以上的j個微元換熱面積Ai=jA/N2上作逆流換熱,按式(5)和(6)可以計算出經過j個微元換熱面后冷熱流體的出口溫度TL(i, j)與TH(i, j),但式中的R1=KmjA/(NWLcpL),TL1=TL(i-1, j).換熱器管程出口的熱流平均溫度為                   傳熱溫差因子在0~1之間,越小表明折流區域的傳熱溫差損失越大,即換熱器的換熱偏離純逆流換熱的程度越嚴重.     2·逆流與折流傳熱溫差偏差分析     2.1 α=1時的逆流與折流傳熱溫差偏差     (1)逆流換熱的條件下,若冷熱流體的熱容流率相同,即R2=1,在深度換熱的臨界點(α=1),由式(5)和(6)可計算得逆流換熱時R1的臨界值R1a, c=1.R1a, c的大小與TL1/TH1的變化無關,只要R1滿足R1a, c=1的條件,換熱器冷熱流體間就可以達到深度換熱的臨界狀態(即實現TH2=TL2);只有當R1>R1a, c之后,冷熱流體間才能實現進一步的深度換熱,即TL2>TH2.     (2)在折流換熱的條件下,若冷熱流體的熱容流率相同,當殼程與管程的獨立流路數N均各為1時,由式(9)和(10)可計算得折流換熱時R1的臨界值R1b, c為無限大,即需要KmA為無窮大才能達到深度換熱的臨界點.這屬于錯流全混合的條件下出現的情況,此時冷熱流體的出口溫度為:     TH2=TL2=(TH1+TL1) /2(16)     (3)折流換熱的條件下,若冷熱流體的熱容流率相同,當殼程與管程的獨立流路數N>1時,由式(9)和(10)推算可知出現深度換熱(即TH2=TL2)所需要的R1b, c隨N的增加而有所降低,其變化范圍在1~∞之間.獨立流路數目N越大,需要的R1b, c越小,會越大,但均會趨向于一個常數,且R1b, c遠大于1(見表1).這說明為使冷熱流體間達到深度換熱,在換熱器的折流區域所需要的KmA值遠大于在逆流區域的KmA值.與逆流換熱過程的R1a, c=1相比,表1中所示R1b, c的變化值也代表了折流換熱較逆流所需KmA值的增幅,當Km值不變時,折流換熱過程需要的換熱面積比逆流過程大幅增加,至少需增20%,且值也小于0·833.從上述分析可知,折流換熱過程基本不能超越深度換熱的臨界點實現冷熱流體間的深度換熱,與逆流換熱相比,其傳熱性能的下降是非常顯著的.這表明,在折流換熱區域的冷熱流體換熱不宜靠近深度換熱的臨界點操作,否則會很不經濟.                  2.2 α>1時的逆流與折流傳熱溫差偏差     換熱器的折流區域在冷熱流體間的深度換熱(α<1,即深度換熱臨界點之后)難以實現且不經濟,而非深度換熱(α>1,在深度換熱的臨界點以前)可以實現,但需考察是否經濟合理.設在冷熱流體的熱容流率相同的條件下,即R2=1,在深度換熱的臨界點以前,即TH2>TL2時,設R1取值為0·1~0·9,定義ε=(TH1-TH2) /(TH1-TL2), (ε與α值均可反映換熱深度,但ε與初始條件TH1和TL1無關),令逆流換熱過程的(TH1-TH2) /(TH1-TL2)=ε1,折流換熱過程的(TH1-TH2) /(TH1-TL2)=ε2,取殼程獨立流路數N=100(為使R1趨向一常數),由式(5)、(6)、(9)、(10)計算可得ε1、ε2隨R1的變化結果,如表2所示.                  由上述分析可以看出,當R1>0·9時,值低于0·866,這說明傳熱性能會降低13%以上,要達到與逆流時相同的傳熱性能,折流區域折流換熱較逆流換熱過程需要增加換熱面積13%以上,顯然是不經濟的.而當R1<0·6時,值高于0·900,這意味著折流比逆流換熱過程傳熱性能的降低小于10%,而折流區域要實現與逆流區域相同的傳熱性能需增加的換熱面積小于10%是可以接受的.若條件允許,最佳狀態是R1<0·3,這樣折流較逆流換熱區域的傳熱性能的降低小于5%.     由表2中可以看出,在遠離深度換熱(α 1)的情況下,或當ε<0·3時,ε1與ε2的偏差很小(小于1·6% ),這時的值可以控制在0·970以上,因此無論是采用哪種換熱過程,其換熱性能都十分接近,不用特別考慮傳熱溫差損失的問題.但對于接近深度換熱臨界點的區域,例如ε>0·8時,ε1與ε2的偏差增大(大于5·4% ),值會減小到0·870以下,因此換熱器折流區域面積占總傳熱面積的比例要合理,否則換熱器的傳熱性能會大幅降低.     對于實際的換熱器工況,在折流區域的N條流路中,由于殼程每一條流路的壓降相同,而路徑最長的流體阻力系數最大,流體流速最小,因此會造成換熱器折流區域Km的分布不均,這使得折流區域的傳熱溫差損失比上述的分析結果更大.因此,文中認為R1<0·3是換熱器設計的適宜條件.     3·換熱器的整體優化設計途徑     從上述換熱器折流區域的換熱性能分析可以看出,控制R1的大小對保證折流區域的換熱性能不比逆流換熱區域下降過多至關重要.對于一項給定的冷熱流體換熱深度較深(TH2/TL2 1)的換熱任務,當R2=1時,根據式(5)和(6)可計算得到所需要的R1a, c,顯然R1a, c必然是一個遠大于1的數值(見表3).                   在逆流換熱條件最好的殼程軸流型殼式換熱器中,由于換熱器的殼程進出口包含了兩個折流換熱區域,如果要保證折流區域的換熱性能比逆流區域的換熱性能下降小于5%,在兩個折流區域R1都需控制在0·3以下,即換熱器中折流區域面積占總換熱面積的比例小于0·6/R1a, c.例如,按式(5)和(6)計算出R1a, c=3·0,則可取換熱器折流區域的面積比例占總換熱面積的比例為0·6/3=0·2,在此比例下,含折流區域的換熱器只需增加不大于5%的面積就可與純逆流換熱的換熱器具有相同的傳熱性能.目前對于長徑比較大的換熱器,折流區域的面積比例較小,上述面積比例安排較易滿足,換熱器的整體換熱過程較貼近純逆流換熱的過程;但是,對于長徑比較小的換熱器,折流區域的面積比例急劇增大,上述面積比例要求很難滿足.例如,換熱器的長徑比為2時,換熱器殼程只能容納一個進口折流區和一個出口折流區,而不能再容納有軸流段的逆流區了,這時換熱器折流區域的面積占總面積的比例達到100%,換熱器的整體換熱過程會嚴重偏離純逆流換熱[12].因此,換熱器長徑比大幅縮小會嚴重制約冷熱流體間的深度換熱.     為解決換熱器長徑比減小時冷熱流體間的換熱深度受限問題,文獻[13]中提出了殼程多通道的換熱器結構(見圖2(a)與2(b)),即將換熱器的傳熱管束由原來一個管子數目巨大的管束沿徑向作若干次縱向分割,并列分置為多個管子數目較少的傳熱管束.這相當于在一個大直徑的換熱器中并列分置若干個小直徑的換熱器,由于每一個并列分置管束的管數較少,流體需要橫向掠過管束的管數也較少,流體橫向進入管束的豁口高度(入口高度)較低,這樣可以使得流體橫向掠過每一個并列分置管束進出口管段的傳熱管長度(L)大幅減小,有效降低換熱器折流區域所占的面積比例,增加在并列分置管束中冷熱流體逆流換熱的管段長度比例,從而增加冷熱流體的換熱深度.因為并列分置管束的方法使得并列分置管束的長徑比βt=L/Dt(Dt為流體橫向掠過并列分置管束的距離)可以遠大于原來整個總體管束的長徑比,這樣就可以通過人為調整βt的大小,使換熱器折流區域所占的面積比例控制在一個合理的范圍,滿足換熱器深度換熱的要求,避免原來換熱器長徑比過小的缺陷,從而較好地解決超大型換熱器深度換熱受限的問題.                   4·結論     (1)通過換熱器殼程流路的傳熱數學分析可知,在純逆流換熱的條件下,若R2=1,則在深度換熱的臨界點(α=1),臨界值R1a, c=1;在折流換熱的條件下,同樣R2=1,在深度換熱的臨界點時,臨界值趨向于R1b, c=1·2 R1a, c.這表明在臨界點,折流區域的換熱性能遠低于純逆流換熱,應該避免折流區域靠近深度換熱的臨界點操作.     (2)文中給出了換熱器折流區域的傳熱性能在不同的換熱深度條件下較逆流換熱過程性能偏差程度的定量分析結果.建議冷熱流體在完成一定深度換熱任務(α<1)時應該控制的換熱器折流區域面積與總換熱面積的比例小于0·6/R1a, c,這樣可以控制換熱器的換熱過程不會偏離純逆流換熱過多,使換熱器傳熱性能的下降幅度控制在5%以內.     (3)現有技術在換熱器結構大型化之后之所以難以完成冷熱流體的深度換熱(α<1),是因為換熱器的長徑比顯著減小,從而無法將換熱器折流區域與換熱器總面積的比例關系維持在0.6/R1a, c以下.文中指出,若將換熱器原來的一個大管束分解為若干個并列分置的小管束,則可以大幅增加小管束的長徑比,使折流區域的面積比例大幅減小,有利于換熱器的總體換熱貼近純逆流換熱,從而解決大型換熱器深度換熱受限的問題.     參考文獻:略
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