繞管式換熱器及其傳熱的計算方法

孔祥力(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

0 引言

能源是人類生存和發展的必不可缺的物質基礎。能源的有限和不可逆性，促使人們越來越多的開始關注節約能源。如何有效提高能源利用率，仍是一個值得關注并深入研究的課題。在石油化工領域，換熱器是一種在工業生產中實現物料之間的熱量傳遞的工藝設備。也是提高能源利用率的主要設備之一。據統計在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%～20%，而在煉油廠中該項投資要占到總投資的30%～40%[1]。從工程項目整體投資來說，如何提高換熱設備的性能，降低能耗，這一直是廣大科研人員、開發者的目標。而纏繞管式換熱器作為一種高效緊湊的換熱設備，一直備受青睞。在化工項目中，采用纏繞管式換熱器有很大優勢。它具有傳熱系數高、換熱效率好、結構緊湊、可同時進行多種介質的換熱、管側耐高壓，換熱管熱膨脹可自行補償等優點。

1 纏繞管式換熱器的介紹

纏繞管式換熱器是管式換熱器的一種。可以做成立式或者臥式。纏繞管式換熱器的結構主要由管板、中芯筒、殼體、若干換熱管(一般數目多達幾千根)、隔條、封頭等組成，如圖1所示。兩端為上管板和下管板。許多層換熱管布置在中間部分，按螺旋狀一層一層依次逐層纏繞在中芯筒上。相鄰兩層換熱管之間用相同厚度的金屬絲或墊條隔開。換熱管兩端收集于管板內，一般采用強度焊加脹接的連接結構。為了達到管側流體均勻分布，每根換熱管采用等長管子制造。換熱管間的間隙構成了殼程通道。

圖1 纏繞管式換熱器結構

纏繞管式換熱器由于其結構特點，管程殼程流體流動及傳熱較為復雜，目前沒有一套全面的統一的針對性的計算軟件，因此有必要對纏繞管式換熱器的傳熱部分計算進行探討研究。

2 纏繞管式換熱器的計算研究

這里借助某廠增產丁烯-1項目中進/出料纏繞管式換熱器作為實例，對纏繞管式換熱器的傳熱計算進行研究。

其中冷熱側物流的物性數據和進出口溫度，由工藝包給出，這里作為纏繞管式換熱器設計的已知條件。工藝進出料設計條件如下：進出料均為混合C4組分。均為氣相。流量為17 708 kg/h。管程走熱流體，進出口溫度為320.1～114.8 ℃。殼程走冷流體，進出口溫度為68.4～286.0 ℃。進口壓力為，管程：0.55 MPaG。殼程：0.63 MPaG。兩側允許壓降均為50 kPa。兩側污垢熱阻均為0.000 25 m2K/W。

纏繞管式換熱器的總傳熱膜系數計算公式為[3]：

其中用吉利(Gillis)公式計算殼程傳熱系數。用施密特(Schmidt)公式來計算管程傳熱系數。

吉利(Gillis)借助流體在直管群錯流流動時的界膜導熱系數推算出纏繞管組成的管束錯流流動時的流體界膜導熱系數計算公式[2]：

借助計算機軟件建立數據模型，算出總熱負荷Q為2 761.34 kW?？倐鳠嵯禂礙為276.34 W/(m2K)。計算出總換熱面積為263.01 m2。

從以上結果來看，計算出來傳熱數據基本合理。在換熱器具體設計時，結合幾何結構設計，參考計算出的換熱面積，將其結構參數圓整，通過調整傳熱面積裕度。最終選取纏繞層數為15層。纏繞總根數為495，管束長度L為13 m。實際換熱面積為323.5 m2。這里對幾何結構設計具體不做展開。算得傳熱面積裕度為27%。一般工業裝置允許的設計安全裕度保持在10%～30%之間即可。太大會造成浪費。在一些特殊的生產條件下，傳熱面積裕度可能更大。

3 結果分析與總結

其中換熱器殼程出口溫度為282.6 ℃，在設計計算中為286.0 ℃。而殼程進口實際溫度比計算中高7 ℃，結合在計算的傳熱面積裕度為27%。綜合分析來看，這個數據說明，可以看出在某公司的增產丁烯-1的項目中，在設計條件下，進出料換熱器采用纏繞管式換熱器是可靠合理的，可達到換熱要求。對于整個項目來說采用纏繞管式換熱器具有很大的優勢。相比普通管殼式換熱器有著很多優點。比如纏繞管式換熱器自身結構緊湊，且可以立式安裝，大大節約了占地面積。且相同規格時，纏繞管式換熱器換熱面積比普通管殼式換熱器高，單位容積下，傳熱面積是管殼式換熱器的2倍多。采用纏繞管式換熱器還有一個很大的優點，纏繞管式換熱器特殊的設計可以做到旁漏為0,而普通的管殼式換熱器旁漏最小也要達到3%以上[5]。這樣更加強化熱能利用，使得熱損失盡量小。

從上述分析的優勢可以看出，對比普通的管殼式換熱器來說，采用纏繞管式換熱器可產生較大的經濟效益。首先設備投入方面，雖然管式換熱器本身設備造價小于纏繞管式換熱器，但后期的安裝、維護，纏繞管式換熱器還是有優勢的。而且有時候一臺管式換熱器達不到換熱要求，需要幾臺，不僅占地面積大，配套的配管、控制系統等也較為復雜，需要較大投入。再從節能效果來看，該裝置減少的燃料費用和其后續空冷節約的用電成本和蒸汽消耗等，節約的經濟成本還是非?？捎^的。整體來說，采用纏繞管式換熱器，對企業的經濟效益也有很大提高，為企業綜合節能創收作出了貢獻，得到了業主的肯定。

4 結語

文章從石化項目節能出發，分析了采用纏繞管式換熱器的優勢。研究了纏繞管式換熱器的傳熱計算方法。借用了計算機軟件進行模擬數值計算。提供了一種設計計算方法，而不是開發了具體計算纏繞管式換熱器的軟件。希望研究者研究出纏繞管式換熱器可以采用的計算軟件。這樣會使得設計計算大大的便捷，縮短時間，還可以運用其分析每個參數的不同對結果的影響。文章僅針對某公司的增產丁烯-1項目中的進出料換熱器，采用纏繞管式換熱器進行設計計算。而這臺換熱器進出料數據均為氣相，不發生相變且是單股流。針對纏繞管式換熱器多股流多相流的問題并沒有涉及。有一些學者對多相流多股流的計算也有研究，多相流多股流傳熱非常復雜，后續還需要深入研究。