王曉芳

(河南漢諾頓換熱器有限公司，河南開封 475002)

板翅式換熱器由于優(yōu)點(diǎn)獨(dú)特，目前已在空氣分離設(shè)備，乙烯、合成氨等石化設(shè)備，天然氣液化和分離、氫氦液化、制冷空調(diào)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 板翅式換熱器簡介

板翅式換熱器主要有以下特點(diǎn):傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)輕巧、適用范圍廣。鋁制板翅式換熱器可在溫度－273～120℃使用。適用于氣—?dú)?，氣—液，液—液不同工質(zhì)的熱交換場合，適用于多股流體介質(zhì)的換熱，最多換熱的工質(zhì)數(shù)可達(dá)12種，這是其它任何一種形式的換熱器都不能替代的。

目前，隨著鋁制板翅式換熱器用途的不斷推廣，它的發(fā)展也越來越迅速，設(shè)計(jì)壓力也越來越高。目前國外生產(chǎn)的鋁制板翅式換熱器，最高設(shè)計(jì)壓力已經(jīng)達(dá)到了12 MPa，板束單體最大生產(chǎn)尺寸已達(dá)到10000 mm×1500 mm×1600 mm。國內(nèi)生產(chǎn)的鋁制板翅式換熱器，其最高設(shè)計(jì)壓力為8.0 MPa，板束單體最大尺寸為8000 mm×1300 mm×1300 mm，工作介質(zhì)最多可達(dá)12種。

在空分裝置中，板翅式換熱器的應(yīng)用相當(dāng)廣，主要有主換熱器、液化器、過冷器、冷凝蒸發(fā)器、預(yù)熱器、熱虹吸蒸發(fā)器以及增壓機(jī)后冷卻器。板翅式換熱器在整個(gè)空分裝置中占據(jù)了相當(dāng)重要的地位，其換熱性能的好壞直接影響了整套空分裝置的正常運(yùn)行。

2 通道排列對換熱器性能的影響

通道分配、排列是多股流板翅式換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，并對換熱器的性能產(chǎn)生重大影響。如果通道分配、排列不合理，設(shè)計(jì)出來的換熱器同一截面的溫差較大，熱負(fù)荷不平衡，存在大量的熱量內(nèi)耗，使得換熱器既使有很大的后備系數(shù)，也無法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

通道分配與排列時(shí)一般應(yīng)考慮如下原則:

1.盡可能做到局部熱負(fù)荷平衡，使沿?fù)Q熱器橫向各通道的熱負(fù)荷在一定范圍內(nèi)達(dá)到平衡，以減小過剩熱負(fù)荷與過剩熱負(fù)荷的橫向傳導(dǎo)距離。其標(biāo)志應(yīng)是沿?fù)Q熱器同一截面壁的溫度盡可能地接近。

2.通道的分配應(yīng)使各個(gè)通道的計(jì)算長度基本接近，應(yīng)使同一股氣流在各個(gè)通道中的阻力基本相同，并低于控制值。

3.通道排列應(yīng)該避免溫度交叉，減少熱量內(nèi)耗。

4.同一股氣流各個(gè)通道的翅片規(guī)格應(yīng)該相同，這樣使得同一股流體的各個(gè)通道的阻力基本相同，并使阻力低于控制值。

5.切換式換熱器的切換通道的通道數(shù)應(yīng)該相等，以免在氣流切換時(shí)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，而且切換通道在通道排列上應(yīng)該毗鄰。

6.通道排列原則上應(yīng)對稱，這不僅便于制造，而且受力情況也好，從強(qiáng)度方面考慮，最外側(cè)的通道應(yīng)布置低壓流體。

通道排列時(shí)，對于氣—?dú)鈸Q熱，如果兩種流體的物性相差比較大，這時(shí)有兩種通道排布方案可選，一是采用復(fù)疊布置，但兩種翅片的高度相同，一是采用單疊布置，選用兩種不同高度的翅片，根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果去選取;對于氣—液換熱，應(yīng)選用復(fù)疊布置。

3 HTFS-MUSE計(jì)算軟件簡介

HTFS-MUSE換熱模擬軟件是英國傳熱學(xué)會技術(shù)公司開發(fā)的，它采用先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法對板翅式換熱器進(jìn)行傳熱及阻力計(jì)算。軟件具有強(qiáng)大的物性數(shù)據(jù)庫，是個(gè)功能很強(qiáng)的綜合性模擬軟件，它涵蓋了石油化工、深低溫、制冷等常見工藝流程換熱設(shè)備的模擬計(jì)算。HTFS-MUSE軟件具有不同的設(shè)備模型，在空分裝置中的換熱模型主要有:主換熱器、過冷器、冷凝蒸發(fā)器、熱虹吸和預(yù)熱器等。流向分為順流、逆流和錯(cuò)流，可以采用設(shè)計(jì)，校核和層與層模擬三種模式進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算。可以利用不同的計(jì)算模型，以求得更為精確的計(jì)算結(jié)果。

HTFS-MUSE軟件采用對話框的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入運(yùn)算，給設(shè)計(jì)者帶來了很大方便。HTFS-MUSE軟件具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，可以進(jìn)行換熱設(shè)備的概略設(shè)計(jì)、精確計(jì)算、通道排列、阻力校核、流體分配等。HTFS-MUSE軟件通過運(yùn)算可以生成溫度曲線、壓降曲線、通道熱負(fù)荷分布曲線、通道排布等多種曲線，方便用戶對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析判斷。

4 案例分析

下面是運(yùn)用HTFS-MUSE軟件設(shè)計(jì)的一套1500 Nm3/h空分裝置用主換熱器，采用兩種不同的通道排列方式，得出不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters

4.1 方案一:通道排列按各流體均布排列原則

4.1.1 通道排列

通道排列圖見圖1。

圖1 通道排列圖Fig.1 Channel arrangement diagram

4.1.2 主要計(jì)算結(jié)果

主要計(jì)算結(jié)果見圖2。

4.1.3 通道熱負(fù)荷分布曲線圖

通道熱負(fù)荷分布曲線圖見圖3和圖4。

基本的通道排列圖是基于物流的熱負(fù)荷沿著它的層均勻分布的假設(shè)。一個(gè)好的通道排列所產(chǎn)生的ZIG-ZAG曲線是在零周圍均勻震蕩，一個(gè)差的通道排列，因?yàn)榫植繜嶝?fù)荷或冷負(fù)荷過載，所產(chǎn)生的ZIG-ZAG曲線將嚴(yán)重偏離零點(diǎn)。在HTFS-MUSE程序運(yùn)行結(jié)果中，可看到沿著換熱器長度方向，4個(gè)不同區(qū)域的ZIG-ZAG曲線圖，由此曲線圖可判斷通道排列是否合理。圖3是換熱器整個(gè)長度方向上的通道熱負(fù)荷分布曲線圖，圖4是沿著換熱器長度方向，4個(gè)不同區(qū)域的通道熱負(fù)荷分布曲線圖。

圖2 主要計(jì)算結(jié)果Fig.2 Main computing result table

圖3 通道熱負(fù)荷分布曲線圖Fig.3 Channel heat load distribution graph

由圖3通道熱負(fù)荷分布曲線圖可以看出，各流體在每個(gè)截面的熱負(fù)荷基本上是平衡的，說明此計(jì)算通道排列是合理的。

圖4 通道熱負(fù)荷分布曲線圖Fig.4 Channel heat load distribution graph

由圖4可以看出，在換熱器的中部以上，熱負(fù)荷基本平衡，但是下段卻有所偏離，這是因?yàn)檎卓辗至鞒探M織造成的問題，是不能調(diào)整的。因?yàn)榭辗至鞒唐胶庥?jì)算要求一部分膨脹空氣要從主換熱器的中部引出進(jìn)下塔，如果按上段熱負(fù)荷平衡來處理的話，將導(dǎo)致?lián)Q熱器的下段熱量減少，造成冷熱負(fù)荷不平衡。這在實(shí)際運(yùn)行中是不經(jīng)濟(jì)的，為了解決冷熱負(fù)荷不匹配，減少能量內(nèi)耗，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，常將膨脹空氣的下部通道給空氣，盡量使換熱器的下段熱負(fù)荷也均衡。通過現(xiàn)場空分運(yùn)行數(shù)據(jù)的反饋，證明此方案是非常有效地改善下部流道分布不均勻的方法。

從以上各種曲線圖和計(jì)算結(jié)果來看，主換熱器的各狀態(tài)點(diǎn)都在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，證明此方案是合理的，通道排列也較合適。

4.2 方案二:通道排列各流體沒有均布排列

4.2.1 通道排列圖

通道排列圖見圖5。

圖5 通道排列圖Fig.5 Channel arrangement diagram

4.2.2 主要計(jì)算結(jié)果

主要計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 主要計(jì)算結(jié)果表Fig.6 Main computing result table

從圖6中可看出，換熱器的計(jì)算長度為6734.36 mm，而前者計(jì)算長度為4328.87 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，故此方案不合理。

4.2.3 通道熱負(fù)荷分布曲線圖

通道熱負(fù)荷分布曲線圖見圖7和圖8。

圖7 通道熱負(fù)荷分布曲線圖Fig.7 Channel heat load distribution graph

圖8 通道熱負(fù)荷分布曲線圖Fig.8 Channel heat load distribution graph

5 小結(jié)

由圖7和圖8通道熱負(fù)荷分布曲線圖可看出，各流體在每個(gè)截面的熱負(fù)荷嚴(yán)重偏離平衡值，說明此計(jì)算通道排列不合理。

由上面計(jì)算結(jié)果可以看出，如果通道排布不合理，將導(dǎo)致?lián)Q熱器的計(jì)算長度大大增加，冷流體出口溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，而且每個(gè)截面的熱負(fù)荷都不平衡，增加能耗。故第二種方案是不合理的。

板翅式換熱器由于其高效性、緊湊性、適用范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用在空分設(shè)備的換熱系統(tǒng)中，尤其是其適用于多股流體介質(zhì)的換熱，是其它任何一種形式的換熱器都不能替代的。

通道分配與通道排列是多股流板翅式換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，如果通道分配、排列不合理，設(shè)計(jì)出來的換熱器同一截面的溫差較大，熱負(fù)荷不平衡，存在大量的熱量內(nèi)耗，使得換熱器即使有很大的富裕系數(shù)，也無法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。