徐成良，丁國(guó)忠

(華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

低溫工藝裝置中使用的換熱器，希望熱損失盡可能小，因此，要求熱交換器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，且當(dāng)流體為逆流操作時(shí)，要保持盡量小的溫差。繞管式換熱器是滿足以上要求的實(shí)用化的換熱器，其操作壓力可以達(dá)到20 MPa，因此適用于低溫高壓裝置［1］。在煉廠加氫、大型空氣分離、天然氣氣化、液體氧、液體氮、低溫甲醇洗等工業(yè)領(lǐng)域正被廣泛使用。

傳統(tǒng)繞管式換熱器換熱計(jì)算要先建立殼側(cè)傳熱模型和管側(cè)傳熱模型，再根據(jù)流動(dòng)的性質(zhì)及繞管的排列性質(zhì)分別計(jì)算出殼側(cè)流體和管側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，最終考慮到污垢熱阻，管材導(dǎo)熱系數(shù)，算出總的傳熱系數(shù)K，進(jìn)而得出換熱面積［2-3］。這種計(jì)算方法中傳熱膜系數(shù)和污垢熱阻的求解都是十分繁瑣的，所以在計(jì)算換熱面積時(shí)這些數(shù)據(jù)的確定并不直觀、方便。為避免計(jì)算傳熱膜系數(shù)和污垢熱阻的繁瑣，可以利用Dittus-Boelter方程和壓降方程得出繞管的當(dāng)量管長(zhǎng)和管徑，進(jìn)而得出換熱面積。

1 簡(jiǎn)捷計(jì)算方法的原理

一般情況下，繞管式換熱器主要由外部殼體、芯圓筒、傳熱管、隔條等部分組成，繞管式換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

和傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，纏繞管式換熱器具有顯著的特點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊，單位容積具有較大的傳熱面積;換熱系數(shù)較高;介質(zhì)溫度端差小，不可逆損失小;多種介質(zhì)同時(shí)參與換熱、不同介質(zhì)之間無(wú)壓差要求;換熱器易實(shí)現(xiàn)大型化［4］。

圖1 小管板多股流纏繞管式換熱器Fig.1 Small tube plate multi-flow elical wound coil tube heat exchanger

在芯圓筒周圍加入隔條，然后按照一定纏繞角以螺旋狀依次多層纏繞小直徑傳熱管［5-6］。這樣的結(jié)構(gòu)在計(jì)算中需要考慮的因素過(guò)多，不利于快速計(jì)算，現(xiàn)做如下假設(shè)以簡(jiǎn)化計(jì)算條件:

1.將所有的纏繞管簡(jiǎn)化為一根管，用于計(jì)算換熱面積;

2.管側(cè)流體與殼側(cè)流體均為單相流體。

圖2 簡(jiǎn)化長(zhǎng)管Fig.2 A simplified long tube

其中，TS和Tf分別是管壁溫度和流體溫度，單位為K;L和D分別為管長(zhǎng)、管徑，單位為m，CP為流體比熱容，單位為kJ/(kg·K)，˙m為流體的質(zhì)量流量，單位為kg/h。

而傳熱系數(shù)與傳熱面積的乘積為:

上式代入雷諾數(shù)ReD求得:

由此可得L與D的關(guān)系式;

而壓降的等式可以推出L與D的另外一個(gè)關(guān)系式:

由Re定義可知其是D的單值函數(shù)，故壓降也是D的單值函數(shù)，則式(8)可得L與D的關(guān)系式，與式(7)相結(jié)合分別計(jì)算出L與D的值，最終得出換熱面積的設(shè)計(jì)計(jì)算值。

對(duì)于混合流體如天然氣等，在計(jì)算中需要先估算出對(duì)應(yīng)的密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等等，可以用比較簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確的方程如LKP方程、BWR方程等進(jìn)行相關(guān)氣體的物性計(jì)算。再利用以上簡(jiǎn)捷算法初步計(jì)算換熱器的換熱面積［7-8］。

2 計(jì)算結(jié)果與對(duì)比

1.某廠低溫甲醇洗工藝中貧甲醇冷卻器為纏繞管式換熱器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 貧甲醇冷卻器設(shè)備簡(jiǎn)圖Fig.3 Poor methanol cooler equipment diagram

其中N1，N2分別為殼程中富甲醇溶液的進(jìn)出口流體，N3，N4分別為管程中貧甲醇溶液的進(jìn)出口流體。操作條件與物性數(shù)據(jù)由表1、表2給出。

管程流體與殼程流體相互換熱，換熱量是一定的，所以只需計(jì)算兩者之一，現(xiàn)取管程即N3/N4計(jì)算。

根據(jù)圖2進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 貧甲醇冷卻器操作條件Table 1 Poor methanol cooler operating conditions

表2 貧甲醇冷卻器物性數(shù)據(jù)Table 2 Poor methanol cooler implements data

表3 計(jì)算結(jié)果Table 3 Result

2.某LNG動(dòng)力漁船冷能利用系統(tǒng)如圖4所示。

LNG的冷能分兩級(jí)利用，LNG儲(chǔ)罐出來(lái)的LNG先與丁烷循環(huán)回路進(jìn)行換熱，再由冷卻后的丁烷對(duì)氯化鈣循環(huán)回路提供冷量。

對(duì)其中換熱器2進(jìn)行面積估算，相關(guān)數(shù)據(jù)由表4給出。

表4 換熱器2的數(shù)據(jù)與計(jì)算Table 4 Data and calculation of the heat exchanger 2

圖4 魚艙LNG冷能利用系統(tǒng)原理圖Fig.4 LNG cold energy utilization system schematic diagram in fishhold

3 結(jié)論

1.傳熱面積計(jì)算與實(shí)例的計(jì)算結(jié)果相差在2%以內(nèi)，而此種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法避免了微元熱平衡計(jì)算的繁瑣，且結(jié)果準(zhǔn)確性與其相當(dāng)，表明此計(jì)算方法基本合理、可靠。

2.此計(jì)算方法不需要計(jì)算總的傳熱系數(shù)K，相應(yīng)減少的是對(duì)殼側(cè)和管側(cè)污垢熱阻的計(jì)算。換熱器的傳熱表面在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，流體中的懸浮物或溶解組分結(jié)晶析出，形成一層污垢附著在壁面上，對(duì)傳熱形成附加的熱阻，稱為污垢熱阻。這層污垢熱阻對(duì)總傳熱系數(shù)K影響很大，不能忽視。由于管壁內(nèi)、外側(cè)表面上污垢熱阻厚度和導(dǎo)熱系數(shù)不容易確定，所以此計(jì)算方法在換熱面積計(jì)算上有一定的方便性。

3.對(duì)于多相流換熱問(wèn)題此種簡(jiǎn)捷計(jì)算方法的適用性還有待研究驗(yàn)證，但是對(duì)于單相換熱計(jì)算的簡(jiǎn)便性確有較大提高。

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