圓塊孔式石墨換熱器總傳熱系數(shù)的模擬計(jì)算

張 猛，耿堯辰（中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400）

圓塊孔式石墨換熱器總傳熱系數(shù)的模擬計(jì)算

張 猛，耿堯辰
（中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400）

介紹了一種利用 HTRI軟件中的套管式換熱器模型對(duì)圓塊孔式石墨換熱器進(jìn)行計(jì)算的模擬方法，并將模擬結(jié)果與廠家計(jì)算值進(jìn)行比較，大部分結(jié)果偏差在 10%以內(nèi)，表明此種計(jì)算方法具有較好的工程指導(dǎo)意義。

圓塊孔式石墨換熱器；總傳熱系數(shù)；HTRI

1 概述

不透性石墨制換熱設(shè)備具有優(yōu)良的耐腐蝕性和傳熱性能，被廣泛應(yīng)用于氯堿行業(yè)、磷酸濃縮以及鋼鐵酸洗等涉及腐蝕性介質(zhì)傳熱的工藝過(guò)程中。石墨換熱器按其結(jié)構(gòu)形式主要分為列管式和圓塊孔式兩種，其中圓塊孔式換熱器因其具有密封性能良好、使用壓力高以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)常被應(yīng)用于操作條件苛刻或有熱沖擊及震動(dòng)的場(chǎng)合。

圓塊孔式石墨換熱器由若干圓形截面的浸漬石墨塊組成，石墨塊之間用O型圈密封。 在石墨塊上有許多平行于軸線和垂直于軸線的圓孔流道，前者稱為縱向流道，后者稱為橫向流道，其中，橫向流道位于各縱向流道的間隔中間。一種介質(zhì)（一般為工藝介質(zhì)）沿軸向流道從上往下或從下往上流動(dòng)；而另一種介質(zhì)（一般為服務(wù)介質(zhì)）沿橫向流道流動(dòng)，相鄰兩塊換熱塊橫向流動(dòng)方向相逆。兩種介質(zhì)利用換熱塊石墨實(shí)體進(jìn)行 間壁式換熱[1]。

盡管圓塊孔式石墨換熱器已得到廣泛的應(yīng)用，其傳熱計(jì)算方法卻鮮有報(bào)道，通用的換熱器計(jì)算軟件也沒(méi)有其計(jì)算模型。南京工業(yè)大學(xué)的潘虎自上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)圓塊孔式石墨換熱器的傳熱計(jì)算進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了縱向、橫向流道側(cè)傳熱膜系數(shù)以及總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式[2-3]。 然而，此公式僅適用于簡(jiǎn)單的非相變傳熱計(jì)算，并不能滿足工藝設(shè)計(jì)中多組分冷凝、蒸發(fā)等復(fù)雜的相變傳熱計(jì)算。

目前，圓塊孔式石墨換熱器的傳熱計(jì)算被掌握在少數(shù)石墨設(shè)備制造廠家手中，設(shè)計(jì)單位和用戶無(wú)法有效的校核其換熱器設(shè)計(jì)的合理性，因此在換熱器的設(shè)計(jì)和訂貨過(guò)程中處于不利位置。本文介紹了一種利用 HTRI軟件對(duì)多組分相變傳熱過(guò)程進(jìn)行計(jì)算的方法，并將其應(yīng)用到中國(guó)天辰公司承接項(xiàng)目中圓塊孔式石墨換熱器的校核計(jì)算，大部分計(jì)算的總傳熱系數(shù) K 縱（以縱向孔道表面積為基準(zhǔn)）與廠家計(jì)算值的偏差小于 10%，提供了一種較可靠的圓塊孔式石墨換熱器的校核計(jì)算方法。

2 總傳熱系數(shù)K縱的計(jì)算公式

圓塊孔式石墨換熱器的傳熱機(jī)理及過(guò)程與列管式的相同，都 包括以下 3 個(gè) 過(guò)程[4]。

（1）熱介質(zhì)將熱量傳給高溫壁面；

（2）熱量由高溫壁面通過(guò)石墨間壁傳給低溫壁面；

（3）熱量由低溫壁面?zhèn)鹘o冷介質(zhì)。

則K縱應(yīng)由3部分組成：

式中：K縱—總傳熱系 數(shù)，W/（m2·℃）；

α縱—工藝側(cè) 傳熱膜系數(shù)，W/（m2·℃）；

α橫—服務(wù)側(cè) 傳熱膜系數(shù)，W/（m2·℃）；

A縱—縱向孔道總面積，m2；

A橫—橫向孔道總面積，m2；

A均—平均傳熱表面積，m2，A

k—石墨導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

V′—石墨塊鉆去孔道后的剩余體積，m3。

考慮工藝側(cè)及服務(wù)側(cè)的污垢熱阻R縱和R橫，總污垢熱阻為則

其中，A縱、A橫、A均以及b′由石墨塊的結(jié)構(gòu)決定，R橫和R縱由工藝條件或者工程經(jīng)驗(yàn)給出，k 根據(jù)文獻(xiàn)取 100 W/（m·℃）。 根據(jù)圓 塊孔式石墨換 熱 器的結(jié)構(gòu)，可將工藝介質(zhì)和服務(wù)介質(zhì)分別按照在垂直和水平圓管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流或發(fā)生相變傳熱來(lái)考慮，通過(guò)HTRI 軟件模擬計(jì)算或通過(guò) Dittus－Boelter 關(guān)聯(lián)式等半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)求得α縱和α橫。

3 計(jì)算舉例

以項(xiàng)目中某汽提塔冷凝器為例進(jìn)行校核計(jì)算，換熱器的結(jié)構(gòu)性質(zhì)見(jiàn)表1。

換熱器的流股性質(zhì)見(jiàn)表2。

工藝介質(zhì)的質(zhì)量組成見(jiàn)表3。

石墨塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖1。

表1 換熱器的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

表2 換熱器的流股性質(zhì)

表3 工藝介質(zhì)的質(zhì)量組成

圖1 石墨塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 服務(wù)側(cè)傳熱膜系數(shù)α橫的計(jì)算

此例中服務(wù)側(cè)為水的無(wú)相變強(qiáng)制對(duì)流傳熱，α橫可 由 Dittus－Boelter 關(guān) 聯(lián) 式 ， 即計(jì)算得出。

3.2 工藝側(cè)傳熱膜系數(shù) α縱的計(jì)算

此例中工藝側(cè)為多組分蒸汽冷凝的復(fù)雜相變傳熱，利用HTRI軟件中的套管式換熱器模型（Jacketed Pipe Exchanger）來(lái)模擬此傳熱過(guò)程，設(shè)定工藝熱物流走管內(nèi)（Hot Pipe），計(jì)算結(jié)果中的管內(nèi)傳熱膜系數(shù)（Pipe h）即為所求α縱。 下面簡(jiǎn)要介紹一下程序中各參數(shù)的設(shè)置。

在 Input Summary選項(xiàng)中 ， 將 Case Mode 選為Rating。 在 Jacket Geometry 中輸入夾套管的參數(shù)，其中夾套管內(nèi)徑選為 55 mm （后文會(huì)討論夾套管內(nèi)徑對(duì)模擬結(jié)果的影響），熱流股走管內(nèi)，安裝方向?yàn)榇怪薄?在 Process Conditions 中輸入冷熱物流的流股性質(zhì)，熱物流的流量為 13.58 kg/h，冷凝水由于溫升已確定故不必輸入流量。 在 Pipe Geometry 中輸入垂直圓管的參數(shù)，其中管長(zhǎng) L=0.34×8=2.72 m （忽略各換熱塊間的間距），壁厚選取換熱塊的當(dāng)量壁厚 7mm，管外徑 OD=10+7×2=24（mm），管子類型為光滑管。

在 Geometry 選項(xiàng)中 ，僅將 Pipe Material中的管子材質(zhì)選為石墨， 導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為 100 W/（m·℃），其余選項(xiàng)設(shè)為默認(rèn)值。 設(shè)置完成后在 Nozzle Location選項(xiàng)中確認(rèn)模擬換熱器的安裝方式及熱物流流動(dòng)方向是否與石墨換熱器相同，見(jiàn)圖 2。

圖2 模擬換熱器的安裝方式及物流流動(dòng)方向

在 Process 選項(xiàng)中，定義冷熱物流的名稱并輸入兩側(cè)的污垢熱阻，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)水側(cè)及工藝側(cè)的污垢熱阻分別設(shè)為0.000 396 和 0.000 198 （m2·℃ ）/W。至此，換熱器結(jié)構(gòu)性質(zhì)參數(shù)已輸入完畢，下面進(jìn)行流股性質(zhì)及組成的輸入。

在 Hot Fluid Properties 選項(xiàng)中 ， 打開(kāi) Property Generator，將 Property package 選為 VMG Thermo，氣液相模型選為默認(rèn)的 Advanced Peng-Robinson。 在Composition選項(xiàng)中，將 Composition Basis 選 為 Mass后按照表 2.3 輸入工藝介質(zhì)的組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 之后 在 Conditions 選 項(xiàng) 中 輸 入 壓 力 500 kPa 及 溫 度 范圍 42 ℃~154 ℃，生成流股物性并將結(jié)果全部導(dǎo)入。

在 Cold Fluid Properties 選項(xiàng)中，將 Physical Property Input Option 一 項(xiàng)設(shè)定為 Component by Component。 在 Components 選項(xiàng)中，選擇 Package 為VMG Thermo，在數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇組分為水。

至此所有參數(shù)輸入完畢，運(yùn)行模擬。報(bào)告中Pipeh 一項(xiàng)即為所求的 α縱，結(jié)果為 260.7W/（m2·℃）。

3.3 夾套管內(nèi)徑對(duì) α縱模擬結(jié)果的影響

一般認(rèn)為一側(cè)的傳熱膜系數(shù)只與該側(cè)流體的流動(dòng)情況有關(guān)，因?yàn)槔鋮s水流量已確定，所以改變夾套管的內(nèi)徑會(huì)改變冷卻水的流速進(jìn)而改變環(huán)側(cè)的傳熱膜系數(shù)，但卻不會(huì)對(duì)管內(nèi)傳熱膜系數(shù)的大小造成影響。為了驗(yàn)證夾套管內(nèi)徑對(duì)管內(nèi)傳熱膜系數(shù)的影響，本文進(jìn)行了靈敏度分析，結(jié)果見(jiàn)圖 3。

圖3 靈敏度分析結(jié)果

由靈敏度分析的結(jié)果可以看出，夾套管內(nèi)徑的取值對(duì)于環(huán)側(cè)傳熱膜系數(shù)影響很大，而對(duì)管內(nèi)傳熱膜系數(shù)基本沒(méi)有影響。因此，在模擬過(guò)程中夾套管內(nèi)徑的取值只需大于圓管外徑即可，在本例中將夾套管內(nèi)徑設(shè)為 55 mm。

3.4 總傳熱系數(shù) K縱的計(jì)算

考慮污垢熱阻時(shí)：

不考慮污垢熱阻時(shí)：

模擬結(jié)果與廠商計(jì)算值的比較見(jiàn)表4所示。

表4 模擬結(jié)果與廠商計(jì)算值的比較

所有樣本的偏差分析見(jiàn)表5。

表5 樣本的偏差分析

由表5可以看出偏差多為負(fù)偏差，即模擬的總傳熱系數(shù)K值小于廠家計(jì)算值。在設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬時(shí)， 管長(zhǎng)為石墨塊的組合高度，HTRI軟件將縱向孔道認(rèn)為是一根連續(xù)的圓管進(jìn)行傳熱計(jì)算。而真實(shí)情況是相鄰塊體之間留有 2~4 mm 的間隙 （組裝O型密封圈產(chǎn)生）， 此空間相當(dāng)于縱向流道中介質(zhì)再分布的湍流室，可提高縱向孔道的傳熱膜系數(shù)。因此模擬計(jì)算值普遍小于廠商計(jì)算值，可將模擬計(jì)算值乘以合適的系數(shù)予以校正。

4 總結(jié)

根據(jù)圓塊孔式石墨換熱器的結(jié)構(gòu)， 借助 HTRI軟件中套管式換熱器的模型，本文提出了一種針對(duì)圓塊孔式石墨換熱器的校核計(jì)算方法，可將其應(yīng)用于圓塊孔式石墨換熱器校核計(jì)算中，改變?cè)O(shè)計(jì)單位和用戶在換熱器的設(shè)計(jì)與訂貨過(guò)程中的不利位置，具有較好的工程指導(dǎo)意義。

［1］許志遠(yuǎn)，等．石墨制化工設(shè)備，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］潘 虎．圓塊式石墨換熱器傳熱系數(shù)的計(jì)算，化工設(shè)計(jì)通訊，1988，14（2）：60～63.

［3］潘 虎．圓塊式石墨換熱器的傳熱系數(shù)，石油化工設(shè)備，1978，16（11）：18～22.

［4］錢頌文．換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Total heat transfer coefficient simulation calculation of graphite block heat exchanger

ZHANG Meng， GENG Yao-chen
（China Tianchen Engineering Corporation,Tianjin 300400,China）

On the basis of applying double-pipe heat exchanger model from HTRI，a heat-transfer calculation method for graphite block heat exchanger is studied in the paper.Most biases between calculation results and manufacture parameters are less than 10%，indicating the method is applicable to engineering design.

graphite block heat exchanger；total heat transfer coefficient；HTRI

TQ051.5

：B

：1009－1785(2017)02-0030-04

2017-01-27