李 巖，張 靜，馮鐵軍，張學(xué)文

(蘭州蘭石四方容器設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050)

1 概 述

換熱設(shè)備在化工行業(yè)工藝流程中占據(jù)重要地位，主要是實(shí)現(xiàn)介質(zhì)與介質(zhì)間的熱量交換，2009年8月31日國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布的《固定式壓力容器安全技術(shù)檢查規(guī)程》提出對換熱容器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高換熱效率，滿足能效要求，因此，降低成本、減少能耗已成為換熱器選型考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)管殼式換熱器采用弓形折流板，殼程介質(zhì)以Z型路徑流動，總傳熱系數(shù)較低，螺旋折流板管殼式換熱器殼程介質(zhì)以螺旋線路徑流動，這樣的流動方式可使流體達(dá)到近似于柱塞流的效果，返混程度很低，可大大減少流動的死區(qū)和停滯區(qū)以及污垢的生成，并且阻力大大下降，流速可以增大2倍左右，提高了總傳熱系數(shù)，從而減少所需傳熱面積[1]。

目前越來越多的項(xiàng)目裝置上開始采用螺旋折流板式換熱器設(shè)備，如何進(jìn)行傳熱計(jì)算成為需首要解決的問題；此外，從設(shè)備自身使用的角度考慮，管殼式換熱器使用壽命較短，換熱管與管板的連接處常常發(fā)生泄漏，這一問題導(dǎo)致設(shè)備故障率較高，筆者介紹了換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。

2 傳熱計(jì)算

2.1 熱負(fù)荷

Q=qscps×(T1-T2)

式中：Q為設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，J·s-1；qt,qs為管、殼程介質(zhì)質(zhì)量流量，kg·s-1；cpt,cps為管、殼程介質(zhì)定壓比熱容，J·kg-1·s-1；T1,T2為殼程熱流體進(jìn)、出口溫度，℃。t1,t2為冷流體進(jìn)、出口溫度，℃。

2.2 有效平均溫差

Δt=Δtm×FT

Δtm= (T1-t2)+(T2-t1)/2或(T1-t2)-(T2-t1)/

ln(T1-t2)/(T2-t1)

式中：Δt為有效平均溫差，℃；t1為熱端溫差，℃；t2為冷端溫差，℃；FT為溫差修正系數(shù)。

說明：該計(jì)算方法為介質(zhì)進(jìn)行單一逆流或并流的平均溫差值；但在換熱器的計(jì)算中很少有這樣的情況出現(xiàn)，因此引入了溫度修正系數(shù)FT，如果殼程是采用弓形折流板，近似錯(cuò)流方式，但采用螺旋折流板屬于另外一種流動方式，它介于單純逆流或并流與錯(cuò)流方式之間，計(jì)算較為復(fù)雜，系數(shù)值比單純流向的要大，因此在計(jì)算時(shí)選擇單純流向的校正系數(shù)是偏保守的，可以滿足工程需要。

2.3 總的傳熱系數(shù)

以換熱管外表面積為基準(zhǔn)：

式中：K為總的傳熱系數(shù)；α1,α2為換熱管內(nèi)、外的給熱系數(shù)；d1,d2為換熱管內(nèi)、外徑；Rs1,Rs2為管壁內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻值。

2.4 給熱系數(shù)計(jì)算

2.4.1結(jié)構(gòu)尺寸

假設(shè)所計(jì)算的換熱器換熱管長度為L；數(shù)量為n；以60°正三角形排列；管間距為L1；折流板螺旋角間距L2；螺旋角為β；換熱管的布置方式如圖1所示。

圖1 換熱管的布置圖

2.4.2當(dāng)量計(jì)算直徑

殼程流體在非圓形筒內(nèi)流動，引入當(dāng)量直徑(水利直徑de)[2]：

2.4.3流通面積

殼程流通面積：As=L2×(L1-d2)×8

注：選擇最大流通面積截面。

2.4.4流速

2.4.5管程的給熱系數(shù)

管程的雷諾準(zhǔn)數(shù)(反應(yīng)流體形態(tài)和湍流程度)：

管程的普蘭特準(zhǔn)數(shù)(與傳熱有關(guān)的流體物性)：

在粘度不隨溫度變化很大時(shí)，按下式計(jì)算，如果粘度變化較大應(yīng)乘以粘度校正項(xiàng)。

努塞爾特準(zhǔn)數(shù)(包含給熱系數(shù)的特征數(shù))：

上述方程可以計(jì)算出管程的給熱系數(shù)。

2.4.6殼程的給熱系數(shù)

殼程的給熱系數(shù)是根據(jù)文獻(xiàn)資料中對弓形折流板換熱器與螺旋板換熱器對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)列出部分螺旋角的傳熱公式。

殼程的雷諾準(zhǔn)數(shù)：

管程的普朗特準(zhǔn)數(shù)：

努塞爾準(zhǔn)數(shù)：

式中：Cx為螺旋折流板傳熱修正系數(shù)，如表1所列[3]；μ為壁溫下介質(zhì)粘度。

表1 螺旋折流板傳熱修正系數(shù)

根據(jù)上述方程可以計(jì)算出殼程的給熱系數(shù)。

2.5 換熱面積

由傳熱速率方程：

Q=KAΔt

計(jì)算得換熱器所需傳熱面積應(yīng)小于弓形折流板換熱器所需傳熱面積，并與前面結(jié)構(gòu)尺寸假設(shè)進(jìn)行對比，偏差值控制在25%之內(nèi)。

3 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)

換熱管與管板連接通常采用脹接+焊接的方式，在特定的條件下，例如直徑大換熱管數(shù)量多、高溫、高壓、操作時(shí)劇烈振動的換熱器，GB151給出的連接結(jié)構(gòu)可靠性不強(qiáng)，在實(shí)際使用中管頭發(fā)生泄漏等的質(zhì)量事故很常見，經(jīng)過深入探究研究人員認(rèn)為增加強(qiáng)度脹接嵌入金屬量可有效減少泄漏事故的發(fā)生，特別是使用條件比較苛刻的裝置上，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)通過試制小型試驗(yàn)設(shè)備，并采用模擬高溫高壓條件工況，結(jié)論是比較滿意的。

圖2 換熱管與管板的連接示意圖

4 結(jié) 語

目前關(guān)于螺旋折流板管殼式換熱器的傳熱計(jì)算

還沒有較精確的計(jì)算方法，對國家倡導(dǎo)使用高效節(jié)能的換熱器的要求有很大障礙，該方法利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)近似的進(jìn)行了熱力計(jì)算，并確定了設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸，基本可解決3個(gè)螺旋角的螺旋折流板換熱器的工程設(shè)計(jì)，并對管頭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了使用年限。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張少維，桑芝富. 結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對螺旋折流板換熱器性能影響[J].石油化工設(shè)備，2004,33(3)：17-20.

[2] 譚天恩，竇 梅，周明華. 化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1979.

[3] 王安軍，高 磊，江 凡. 螺旋折流板換熱器殼程傳熱性能研究[J].壓力容器,2007(9):1-3.