繞管式換熱器換熱面積的一種簡捷計算方法

徐成良，丁國忠

(華中科技大學能源與動力工程學院，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、結構緊湊，換熱效率高，且當流體為逆流操作時，要保持盡量小的溫差。繞管式換熱器是滿足以上要求的實用化的換熱器，其操作壓力可以達到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、低溫甲醇洗等工業領域正被廣泛使用。

傳統繞管式換熱器換熱計算要先建立殼側傳熱模型和管側傳熱模型，再根據流動的性質及繞管的排列性質分別計算出殼側流體和管側流體的傳熱膜系數，最終考慮到污垢熱阻，管材導熱系數，算出總的傳熱系數K，進而得出換熱面積［2-3］。這種計算方法中傳熱膜系數和污垢熱阻的求解都是十分繁瑣的，所以在計算換熱面積時這些數據的確定并不直觀、方便。為避免計算傳熱膜系數和污垢熱阻的繁瑣，可以利用Dittus-Boelter方程和壓降方程得出繞管的當量管長和管徑，進而得出換熱面積。

1 簡捷計算方法的原理

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，繞管式換熱器結構如圖1所示。

和傳統的管殼式換熱器相比，纏繞管式換熱器具有顯著的特點:結構緊湊，單位容積具有較大的傳熱面積;換熱系數較高;介質溫度端差小，不可逆損失小;多種介質同時參與換熱、不同介質之間無壓差要求;換熱器易實現大型化［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］。這樣的結構在計算中需要考慮的因素過多，不利于快速計算，現做如下假設以簡化計算條件:

1.將所有的纏繞管簡化為一根管，用于計算換熱面積;

2.管側流體與殼側流體均為單相流體。

圖2 簡化長管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、管徑，單位為m，CP為流體比熱容，單位為kJ/(kg·K)，˙m為流體的質量流量，單位為kg/h。

而傳熱系數與傳熱面積的乘積為:

上式代入雷諾數ReD求得:

由此可得L與D的關系式;

而壓降的等式可以推出L與D的另外一個關系式:

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

對于混合流體如天然氣等，在計算中需要先估算出對應的密度、粘度、導熱系數、比熱容等等，可以用比較簡單且準確的方程如LKP方程、BWR方程等進行相關氣體的物性計算。再利用以上簡捷算法初步計算換熱器的換熱面積［7-8］。

2 計算結果與對比

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，其結構簡圖見圖3。

圖3 貧甲醇冷卻器設備簡圖Fig.3 Poor methanol cooler equipment diagram

其中N1，N2分別為殼程中富甲醇溶液的進出口流體，N3，N4分別為管程中貧甲醇溶液的進出口流體。操作條件與物性數據由表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，所以只需計算兩者之一，現取管程即N3/N4計算。

根據圖2進行計算，計算結果見表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據Table 2 Poor methanol cooler implements data

表3 計算結果Table 3 Result

2.某LNG動力漁船冷能利用系統如圖4所示。

LNG的冷能分兩級利用，LNG儲罐出來的LNG先與丁烷循環回路進行換熱，再由冷卻后的丁烷對氯化鈣循環回路提供冷量。

對其中換熱器2進行面積估算，相關數據由表4給出。

表4 換熱器2的數據與計算Table 4 Data and calculation of the heat exchanger 2

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

3 結論

1.傳熱面積計算與實例的計算結果相差在2%以內，而此種簡化的計算方法避免了微元熱平衡計算的繁瑣，且結果準確性與其相當，表明此計算方法基本合理、可靠。

2.此計算方法不需要計算總的傳熱系數K，相應減少的是對殼側和管側污垢熱阻的計算。換熱器的傳熱表面在經過一段時間運行后，流體中的懸浮物或溶解組分結晶析出，形成一層污垢附著在壁面上，對傳熱形成附加的熱阻，稱為污垢熱阻。這層污垢熱阻對總傳熱系數K影響很大，不能忽視。由于管壁內、外側表面上污垢熱阻厚度和導熱系數不容易確定，所以此計算方法在換熱面積計算上有一定的方便性。

3.對于多相流換熱問題此種簡捷計算方法的適用性還有待研究驗證，但是對于單相換熱計算的簡便性確有較大提高。

［1］于清野.纏繞管式換熱器計算方法研究［D］.大連理工大學，2011.

［2］瓦爾特·H·朔爾茨，霍勒里格爾斯科羅伊特，張秀芳.纏繞管式換熱器［J］.壓力容器，1991(4):73-74.

［3］周奇.運用ASPEN B-JAC設計管殼式換熱器［J］.化工設計通訊，2010(2):43-45.

［4］周明宇，于長海，劉龍.HYSYS模擬在換熱器計算中的應用［J］.遼寧化工，2006(8):498-500.

［5］聞潔，李祿明，徐國強，鄧宏武.全熱換熱器計算方法研究［J］.暖通空調，2009(2):38-40.

［6］高桂蘭，趙寶珠，王培斌.換熱器計算方法討論［J］.發電設備，1997(Z1):39-40.

［7］曲平，王長英，俞裕國.纏繞管式換熱器的簡捷計算［J］.大氮肥，1998(3):178-180.

［8］李保紅，張玨庭.基于過程模擬軟件的管殼式換熱器優化設計［J］.大連民族學院學報，2010(1):2-5.