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哈雷釬焊板式換熱器
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污垢的形成及其對殼管式換熱器設計的影響

點擊:1888 日期:[ 2014-04-26 22:00:44 ]
                        污垢的形成及其對殼管式換熱器設計的影響                                      呂振海 谷波                                     (上海交通大學)     摘要:在殼管式換熱器設計中,污垢系數通常作為一個固定值參與計算。但是,實際的污垢系數及污垢 形成速度與流體的溫度和速度有關。本文根據國內外學者的研究成果,簡單地分析污垢的形成與流體的溫 度和速度的關系,介紹一種新穎的換熱器設計方法———“包跡圖”法,并用該方法分析污垢對殼管式換熱器 設計的影響,希望能夠為殼管式換熱器優化設計提供參考。     關鍵詞:污垢;設計;換熱器;殼管式     殼管式換熱器在大中型空調系統(特別是冷水系統)中有著非常廣泛的應用,在當今能源日益緊缺的局面下,如何提高空調機組的效率對國民經濟的發展和環境保護有著極其重要的意義。而殼管式換熱器是影響空調機組效率的關鍵部件之 一,因此如何優化設計殼管式換熱器對提高空調機組效率非常關鍵。     要提高殼管式換熱器的性能,首先應該知道阻礙換熱器傳熱的主要因素有哪些。以殼管式冷凝器設計為例,介紹殼管式換熱器設計的一般過程。設計的輸入參數有換熱器負荷、管內流體的進出口溫度和壓降,然后假設換熱管個數,利用熱負荷平衡和最大壓降的限制,經過反復計算得出滿足條件的換熱管個數和換熱管長度。在傳熱計算中,一般都會增加一個固定的污垢系數,相對于管壁熱阻,污垢所產生的熱阻要大得多,一般要為這個熱阻增加至少15%以上的換熱面積,可見污 垢是影響換熱器性能的一個主要因素。那么污垢 的形成和哪些因素有關系呢?針對這一問題,筆者首先利用一些必要的公式進行深入分析,然后再簡單介紹“包跡圖”模型,并利用這個模型分析污垢對換熱器設計的影響,最后得出結論。     1 污垢形成的影響因素     1.1 愛伯特·潘切爾方程     在具體分析之前,首先引入一個由英國人愛伯特·潘切爾首先提出的污垢形成的方程(稱之為愛伯特·潘切爾方程[1]),具體形式如下:                                               雖然式(1)中的系數對于不同流體對應著不同的數值,但從式中可以很容易地發現污垢形成的速度與流體速度的平方成反比、與液膜溫度成正比,只是對于不同流體這種變化的速度會有所不同而已。     2004年,徐冬生等[2]對橫紋軋管進行污垢性能試驗。試驗結果表明,隨著流體速度的增加,積垢速度明顯地減小。     1.2 極限流速                       從圖1可以看出液膜溫度和流體流速對污垢形成的影響。圖中T1>T2>T3,曲線表示在對應的流體流速和液膜溫度下,在一定時間內所形成的污垢熱阻。圖1也說明在設計中冷凝器的污垢系數要比蒸發器的污垢系數大的原因。在某一特定工況下,當流體流速達到一定數值時,污垢所產生的熱阻趨于零。這意味著對應于這個流體流速 在一定時間內換熱器管內可以保持接近清潔的狀 態,這對換熱器的設計是非常有好處的。 由上述分析可知,在一定工況下,換熱器熱端 總會有極限流速,當流體流速大于這個流速時,就可以在一定時間內保持換熱器內污垢系數接近零。令式(1)中的dr/dt等于零,可以得到極限流速(m/s)方程:                        1.3 極限流速在換熱器設計中的應用                       以一個兩流程換熱器來說明如何應用極限流 速來消除管內流體產生的污垢。作出給定工況下 此換熱器的包跡圖(見圖2),圖中極限速度1這條曲線表示在第一流程末端污垢剛剛形成的曲線。 同樣,極限速度2表示在第二流程末端污垢剛剛形成的曲線。這也就是說當設計高于這條曲線時, 在一定的時間內污垢就會產生,因為此時的流體速度低于所要求的極限流速。從圖2可以看出:對 于第一流程,可以找到理想的設計點;而對于第二 流程,由于有效的設計必須同時落在壓降曲線和 傳熱曲線的上方,而滿足極限流速的設計卻落在 有效設計范圍的下方,因此無法找到避免污垢產生的有效設計。解決這個問題的一個方法,就是調節2個流程的換熱管個數的比例,圖2中2個流程的換熱管個數是相同的。試著使2個流程換熱 管個數的比例為0.9,即第二流程的管數與第一流程的管數的比例為0.9。根據圖2的工況重新計算,作出一組曲線,如圖3所示。圖3中2個極限速度的曲線接近了很多,而壓降和傳熱曲線并沒有太大變化。通過調整2個流程換熱管個數的比 例,極限速度1這條曲線下移,但依然落在最小有 效設計點之上,同時極限速度2這條曲線上移到有效設計范圍內。因此,可以找到既落在2條極限速 度曲線之下同時又落在有效設計范圍之內的避免污垢形成的設計點。改變2個流程的管子數比例, 其實是降低了一個流程的壓降,同時增加了另外一個流程的壓降,這樣提高了第二流程末端的流體速度,避免了污垢的形成。                           當然,有時調節流程換熱管個數的比例并不能奏效,此時就要考慮其他方法。但是,在允許的設計范圍內,盡可能地提高末端的流速對污垢的 形成有一定抑制作用,這樣可以有效地減少所需的換熱面積。     2 “包跡圖”模型簡介     為了在給定負荷下設計出一個換熱器,并保 證此換熱器的壓降不能大于客戶定義的壓降,在 此可利用“包跡圖”模型[3]得到一個有效的設計區 域,在此區域內的換熱器設計都能滿足給定的設 計條件。在介紹這個方法之前,先簡單介紹用來計算傳熱和壓降的幾個常用公式。     熱負荷為:                           式中:np為管側流程數;L是管子長度(m);K為局 部壓損系數(此處取1.8);摩擦系數f按式(3) 計算。     在給定負荷下,假設換熱管個數就可以計算 出管內流體速度。然后根據式(8)計算出定義壓 降下的換熱管長度,按照定義的壓降值繪出換熱 管個數與換熱管長度的關系曲線(見圖4),稱之為 壓降曲線。所有位于這條曲線上方的設計點都滿 足壓降要求。同樣,按照式(5)~(7)進行傳熱計 算,也可以描繪出一條換熱管個數與換熱管長度 的關系曲線,稱之為傳熱曲線。所有位于這條曲 線上方的設計點都滿足換熱面積要求。換熱器設 計應同時滿足傳熱和壓降這2個要求,因此有效的 設計點應該同時落在這2條曲線的上方,這個區域 稱之為“有效設計區域”,也就是圖4陰影部分。最優的換熱器設計總是落在圖4中的點A附近,因 為這時換熱管個數最少,換熱器價格相對便宜,將 這2條曲線的交點稱為最優設計點。                             3 污垢對換熱器設計的影響     上節的計算中忽略了污垢對設計產生的影 響,增加一個恒定的污垢系數重新計算,結果如圖 5所示。                              與圖4比較,傳熱設計曲線很明顯地向右方偏 移了,也就是說有效設計區域和最佳設計點都向右邊偏移了。比較圖4和圖5的最佳設計點,增加了污垢影響后的換熱管個數和長度都比沒有考慮污垢的設計增大了。因為增加換熱管個數后,流 體速度降低,此時壓降下降,為了達到相同的壓降,就需要更長的管子。如果提高此時的設計壓降,則可以減少換熱管個數,但需要更長的換熱管。在圖5中,虛線表示的就是增加壓降后的壓降曲線。可以看出在相同的長度下對應這條曲線的換熱管個數明顯較增加壓降前的少。可見增加設計壓降是減小換熱器尺寸的一個有效方法。但是,在設計中也不能一味地追求增加壓降,這樣會增加用戶成本。 在殼管式換熱器中,隨著污垢在傳熱表面上的積聚,流道表面粗糙度增加,導致摩擦系數增大,并且流體流通截面積減小,在相同體積流量下,流體速度增加,壓降增大,因此在設計時必須考慮這種影響。在計算污垢對流體流動壓降的影 響時,首先計算清潔狀況下的流動壓降,確定污垢 層厚度,然后在保持流體流量不變的情況下,計算 計及污垢影響后的流體流速,最后計算污垢影響下的流體流動壓降[5]。楊善讓等[6]較為詳細地論述了換熱器壓降受污垢的影響。     對于“包跡圖”模型上的傳熱曲線,當不斷地增加換熱管長度同時減少換熱管個數時,管內流體的速度不停地變化。從前面的分析可知,在一 定條件下,當出口流體速度達到一定數值時,在一段時間內,管內就不會形成污垢。圖6就是根據這一現象描繪出來的。                        由圖6可知,有效的設計區域被分為2部分中間的臺階就是由于在此點以下管內流體速度高 于污垢形成的速度從而避免了污垢的產生而形成 的,此時換熱管個數減少,長度縮短。     通過上面利用“包跡圖”模型的2個簡單例子, 一方面熟悉了這種非常直觀有效的分析方法,另 一方面能更加深入地了解污垢對換熱器設計的影 響,以及降低污垢對換熱器設計影響的可能性。 總之,在換熱器設計中考慮污垢系數后,傳熱熱阻增大,流體速度降低,管側換熱系數急劇下降。因此可以提高設計流速以降低或者阻止污垢的形成,當污垢無法避免時,還可以適當提高設計壓降的上限來減小換熱器的尺寸。     4 結論     在了解了影響污垢形成的因素,并通過利用 “包跡圖”模型進行更加深入分析后,可以得出如下結論:     1)污垢對換熱器設計的負面影響有2個方 面:一方面增加了傳熱熱阻;另一方面降低了管內 的傳熱系數,因為更多的換熱管個數降低了管內 流體速度。     2)雖然在實際運行中,污垢的形成還與更多 的因素(例如當地的水質等)有關,但適當地增大 流體的出口速度對污垢的形成會產生明顯的抑制 作用,在設計階段就應該注意這個問題。     3)盡量利用客戶允許的壓降上限,這樣可以 減小換熱器尺寸,同時也能抑制污垢的形成。 保證一個長期運行的機組在其維修階段的性 能,比僅僅考慮其初期運行性能更能節約運行成 本。而利用筆者提到的這些設計思想可以有效地 降低機組長期運營成本。     參考文獻     [1] W Ebert, C B Panchal. Analysis of Exxon crude-oil, slip-stream coking data∥Engineering Foundation Con- ference on Fouling Mitigation of Heat Exchangers. California,1995:18-23.     [2] 朱冬生,曾力丁,錢頌文.軋槽管的污垢特性及其防 垢性能實驗研究.流體機械,2007,35(4):9-11.     [3] D Butterworth. Visualize your design of shell-and- tube heat exchangers. Chemical Technology Europe, 1996:20-24.     [4] 楊世銘.傳熱學.2版.北京:高等教育出版社,1987: 200-204.     [5] 靳遵龍,董其伍,劉敏珊.污垢對換熱器殼程壓降的 影響分析.壓力容器,2007,24(8):25-27.     [6] 楊善讓,徐志明,孫靈芳.換熱設備污垢與對策.2 版.北京:科學出版社,2004. 
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