螺旋折流板管殼式換熱器的傳熱計算及連接結構改進*

2013-12-03 04:27:24馮鐵軍張學文

機械研究與應用 2013年6期

李巖，張靜，馮鐵軍，張學文

(蘭州蘭石四方容器設備有限責任公司，甘肅蘭州 730050)

1 概述

換熱設備在化工行業工藝流程中占據重要地位，主要是實現介質與介質間的熱量交換，2009年8月31日國家質量監督檢驗檢疫總局頒布的《固定式壓力容器安全技術檢查規程》提出對換熱容器進行優化設計，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鍵環節。

傳統管殼式換熱器采用弓形折流板，殼程介質以Z型路徑流動，總傳熱系數較低，螺旋折流板管殼式換熱器殼程介質以螺旋線路徑流動，這樣的流動方式可使流體達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和停滯區以及污垢的生成，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，從而減少所需傳熱面積[1]。

目前越來越多的項目裝置上開始采用螺旋折流板式換熱器設備，如何進行傳熱計算成為需首要解決的問題；此外，從設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生泄漏，這一問題導致設備故障率較高，筆者介紹了換熱管與管板連接結構改進方法。

2 傳熱計算

2.1 熱負荷

Q=qscps×(T1-T2)

式中：Q為設計熱負荷，J·s-1；qt,qs為管、殼程介質質量流量，kg·s-1；cpt,cps為管、殼程介質定壓比熱容，J·kg-1·s-1；T1,T2為殼程熱流體進、出口溫度，℃。t1,t2為冷流體進、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。

說明：該計算方法為介質進行單一逆流或并流的平均溫差值；但在換熱器的計算中很少有這樣的情況出現，因此引入了溫度修正系數FT，如果殼程是采用弓形折流板，近似錯流方式，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流方式之間，計算較為復雜，系數值比單純流向的要大，因此在計算時選擇單純流向的校正系數是偏保守的，可以滿足工程需要。

2.3 總的傳熱系數

以換熱管外表面積為基準：

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

2.4 給熱系數計算

2.4.1結構尺寸

假設所計算的換熱器換熱管長度為L；數量為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當量計算直徑

殼程流體在非圓形筒內流動，引入當量直徑(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

管程的雷諾準數(反應流體形態和湍流程度)：

管程的普蘭特準數(與傳熱有關的流體物性)：

在粘度不隨溫度變化很大時，按下式計算，如果粘度變化較大應乘以粘度校正項。

努塞爾特準數(包含給熱系數的特征數)：

上述方程可以計算出管程的給熱系數。

2.4.6殼程的給熱系數

殼程的給熱系數是根據文獻資料中對弓形折流板換熱器與螺旋板換熱器對比試驗數據推導列出部分螺旋角的傳熱公式。

殼程的雷諾準數：

管程的普朗特準數：

努塞爾準數：

式中：Cx為螺旋折流板傳熱修正系數，如表1所列[3]；μ為壁溫下介質粘度。

表1 螺旋折流板傳熱修正系數

根據上述方程可以計算出殼程的給熱系數。

2.5 換熱面積

由傳熱速率方程：

Q=KAΔt

計算得換熱器所需傳熱面積應小于弓形折流板換熱器所需傳熱面積，并與前面結構尺寸假設進行對比，偏差值控制在25%之內。

3 換熱管與管板連接結構改進

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量多、高溫、高壓、操作時劇烈振動的換熱器，GB151給出的連接結構可靠性不強，在實際使用中管頭發生泄漏等的質量事故很常見，經過深入探究研究人員認為增加強度脹接嵌入金屬量可有效減少泄漏事故的發生，特別是使用條件比較苛刻的裝置上，具體結構如圖2所示。

該結構通過試制小型試驗設備，并采用模擬高溫高壓條件工況，結論是比較滿意的。