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(fā)展的必不可缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源的有限和不可逆性，促使人們越來越多的開始關(guān)注節(jié)約能源。如何有效提高能源利用率，仍是一個值得關(guān)注并深入研究的課題。在石油化工領(lǐng)域，換熱器是一種在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)物料之間的熱量傳遞的工藝設(shè)備。也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)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(xiàng)投資要占到總投資的30%～40%[1]。從工程項(xiàng)目整體投資來說，如何提高換熱設(shè)備的性能，降低能耗，這一直是廣大科研人員、開發(fā)者的目標(biāo)。而纏繞管式換熱器作為一種高效緊湊的換熱設(shè)備，一直備受青睞。在化工項(xiàng)目中，采用纏繞管式換熱器有很大優(yōu)勢。它具有傳熱系數(shù)高、換熱效率好、結(jié)構(gòu)緊湊、可同時進(jìn)行多種介質(zhì)的換熱、管側(cè)耐高壓，換熱管熱膨脹可自行補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。

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(jié)構(gòu)主要由管板、中芯筒、殼體、若干換熱管(一般數(shù)目多達(dá)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(nèi)，一般采用強(qiáng)度焊加脹接的連接結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到管側(cè)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(gòu)成了殼程通道。

圖1 纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)

纏繞管式換熱器由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管程殼程流體流動及傳熱較為復(fù)雜，目前沒有一套全面的統(tǒng)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(jìn)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(chǎn)丁烯-1項(xiàng)目中進(jìn)/出料纏繞管式換熱器作為實(shí)例，對纏繞管式換熱器的傳熱計算進(jìn)行研究。

其中冷熱側(cè)物流的物性數(shù)據(jù)和進(jìn)出口溫度，由工藝包給出，這里作為纏繞管式換熱器設(shè)計的已知條件。工藝進(jìn)出料設(shè)計條件如下：進(jìn)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(jìn)出口溫度為320.1～114.8 ℃。殼程走冷流體，進(jìn)出口溫度為68.4～286.0 ℃。進(jìn)口壓力為，管程：0.55 MPaG。殼程：0.63 MPaG。兩側(cè)允許壓降均為50 kPa。兩側(cè)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(shù)計算公式為[3]：

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

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

借助計算機(jī)軟件建立數(shù)據(jù)模型，算出總熱負(fù)荷Q為2 761.34 kW?？倐鳠嵯禂?shù)K為276.34 W/(m2K)。計算出總換熱面積為263.01 m2。

從以上結(jié)果來看，計算出來傳熱數(shù)據(jù)基本合理。在換熱器具體設(shè)計時，結(jié)合幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，參考計算出的換熱面積，將其結(jié)構(gòu)參數(shù)圓整，通過調(diào)整傳熱面積裕度。最終選取纏繞層數(shù)為15層。纏繞總根數(shù)為495，管束長度L為13 m。實(shí)際換熱面積為323.5 m2。這里對幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計具體不做展開。算得傳熱面積裕度為27%。一般工業(yè)裝置允許的設(shè)計安全裕度保持在10%～30%之間即可。太大會造成浪費(fèi)。在一些特殊的生產(chǎn)條件下，傳熱面積裕度可能更大。

3 結(jié)果分析與總結(jié)

其中換熱器殼程出口溫度為282.6 ℃，在設(shè)計計算中為286.0 ℃。而殼程進(jìn)口實(shí)際溫度比計算中高7 ℃，結(jié)合在計算的傳熱面積裕度為27%。綜合分析來看，這個數(shù)據(jù)說明，可以看出在某公司的增產(chǎn)丁烯-1的項(xiàng)目中，在設(shè)計條件下，進(jìn)出料換熱器采用纏繞管式換熱器是可靠合理的，可達(dá)到換熱要求。對于整個項(xiàng)目來說采用纏繞管式換熱器具有很大的優(yōu)勢。相比普通管殼式換熱器有著很多優(yōu)點(diǎn)。比如纏繞管式換熱器自身結(jié)構(gòu)緊湊，且可以立式安裝，大大節(jié)約了占地面積。且相同規(guī)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(yōu)點(diǎn)，纏繞管式換熱器特殊的設(shè)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(dá)到3%以上[5]。這樣更加強(qiáng)化熱能利用，使得熱損失盡量小。

從上述分析的優(yōu)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(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。首先設(shè)備投入方面，雖然管式換熱器本身設(shè)備造價小于纏繞管式換熱器，但后期的安裝、維護(hù)，纏繞管式換熱器還是有優(yōu)勢的。而且有時候一臺管式換熱器達(dá)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(tǒng)等也較為復(fù)雜，需要較大投入。再從節(jié)能效果來看，該裝置減少的燃料費(fèi)用和其后續(xù)空冷節(jié)約的用電成本和蒸汽消耗等，節(jié)約的經(jīng)濟(jì)成本還是非常可觀的。整體來說，采用纏繞管式換熱器，對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也有很大提高，為企業(yè)綜合節(jié)能創(chuàng)收作出了貢獻(xiàn)，得到了業(yè)主的肯定。

4 結(jié)語

文章從石化項(xiàng)目節(jié)能出發(fā)，分析了采用纏繞管式換熱器的優(yōu)勢。研究了纏繞管式換熱器的傳熱計算方法。借用了計算機(jī)軟件進(jìn)行模擬數(shù)值計算。提供了一種設(shè)計計算方法，而不是開發(fā)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(shè)計計算大大的便捷，縮短時間，還可以運(yùn)用其分析每個參數(shù)的不同對結(jié)果的影響。文章僅針對某公司的增產(chǎn)丁烯-1項(xiàng)目中的進(jìn)出料換熱器，采用纏繞管式換熱器進(jìn)行設(shè)計計算。而這臺換熱器進(jìn)出料數(shù)據(jù)均為氣相，不發(fā)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(xué)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(fù)雜，后續(xù)還需要深入研究。