化工用管殼換熱器強(qiáng)化傳熱工程計(jì)算與分析

高 懷，王艷飛

（中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，湖南 長沙 410007）

換熱器是實(shí)現(xiàn)高低溫流體能量傳遞的設(shè)備，不僅在化工生產(chǎn)裝置中是重要又常用的生產(chǎn)設(shè)備之一，而且廣泛應(yīng)用于能源、冶金、食品等領(lǐng)域。換熱器的類型各式各樣，可根據(jù)生產(chǎn)工藝進(jìn)行合理選擇。其中管殼式換熱器由于具有單位體積換熱面積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作彈性大、可選擇的制作材料種類多及傳熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，在化工裝置中應(yīng)用最廣泛，特別在高溫、高壓的化工生產(chǎn)中多采用管殼換熱器[1]。在化工項(xiàng)目建設(shè)投資成本中，換熱器的投資可達(dá)30%以上。在當(dāng)今把碳達(dá)峰、碳中和納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局的情形下，換熱器對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義，強(qiáng)化換熱器的傳熱效果、實(shí)現(xiàn)能源的高效利用顯得尤為重要[2-4]。

強(qiáng)化換熱器的傳熱可以較大幅度提高設(shè)備的利用效率。也即在保證換熱器傳熱總量恒定的情況下，設(shè)備換熱面積可變小、結(jié)構(gòu)更加緊湊，這樣可節(jié)約材料、降低設(shè)備采購成本，既節(jié)約能源又滿足設(shè)備安裝空間有限等特殊情況下的要求。

由總傳熱速率方程Q=K·A·Δtm可知，要提高換熱器強(qiáng)化傳熱的效果，可以從三個(gè)方面著手考慮[5-8]：一是增大總傳熱系數(shù)K，二是增加換熱器的傳熱面積A，三是增大換熱器兩側(cè)流體的平均溫度差Δtm。從這三點(diǎn)出發(fā)，國內(nèi)外換熱器研究學(xué)者采用不同的方法對(duì)換熱器的傳熱強(qiáng)化進(jìn)行了研究。

林文珠等[9]對(duì)換熱器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（包括改變換熱管的管型、增設(shè)換熱管內(nèi)插入物以及對(duì)換熱器殼程側(cè)的隔板優(yōu)化），對(duì)換熱流體熱物性改善（包括提高熱納米流體導(dǎo)率、提高潛熱型熱流體的比熱容），以及復(fù)合多型的強(qiáng)化傳熱方式（將多種強(qiáng)化方法有機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)單一方法的缺點(diǎn)，以便獲得較好的傳熱效果）。研究表明，通過優(yōu)化可獲得較好的強(qiáng)化傳熱效果。Rakhsha 等[10]采用實(shí)驗(yàn)方法分析比較了納米流體與純水對(duì)流體傳熱行為的影響，實(shí)驗(yàn)也對(duì)流體雷諾數(shù)變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。研究結(jié)果表明：納米流體的傳熱強(qiáng)化能力比純水提高約16%，傳熱系數(shù)也隨雷諾數(shù)的變大而增大。莫遜等[11]對(duì)三維隱形翅片管與其他強(qiáng)化管換熱器的傳熱性能進(jìn)行了研究，顯示三維隱形翅片管換熱器管側(cè)與殼側(cè)的綜合性能因子比其他強(qiáng)化管換熱器好，三維隱形翅片管換熱器具有優(yōu)異的性能。

本文采用換熱器計(jì)算軟件對(duì)管殼換熱器的強(qiáng)化傳熱理論進(jìn)行進(jìn)一步的工程計(jì)算及分析，以期為化工裝置生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

1 管殼換熱器工程計(jì)算模型的建立

現(xiàn)以生產(chǎn)規(guī)模為5 萬t/a EG（乙二醇）的某化工企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一臺(tái)EG 冷卻換熱器為研究對(duì)象，利用換熱器計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行工程模擬計(jì)算分析。由于管殼式換熱器具有高度的可靠性、較好的處理能力及廣泛的適應(yīng)性,該EG 換熱器的型式采用封頭管箱單程殼體型（BEM 型）管殼換熱器，管側(cè)走EG 熱物料，殼側(cè)走冷卻介質(zhì)——循環(huán)冷卻水，計(jì)算模型簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 換熱器計(jì)算模型簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the heat exchanger calculation model

冷熱介質(zhì)進(jìn)出換熱器的相關(guān)參數(shù)見表1。乙二醇冷卻換熱器的管側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：管子規(guī)格為Φ19 mm×2 mm，光滑管，管子材質(zhì)為S30408（不銹鋼），管心距為25 mm，管子長度為3000 mm，管排列為30°正三角形。殼側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：殼體規(guī)格為Φ400 mm×3000 mm，殼體材質(zhì)為 碳鋼(CS)，折流板型式為單弓形，切口方向?yàn)樗?，切口?5%、折流板間距為250 mm。

表1 換熱器物流參數(shù)Tab.1 Heat exchanger logistics parameters

經(jīng)過工程模擬計(jì)算，得出該乙二醇冷卻換熱器的傳熱系數(shù)（K）為130 W/m2·℃，換熱器的傳熱面積（A）為74 m2，換熱器兩側(cè)流體的平均溫度差（Δtm）為46.5 ℃。

2 強(qiáng)化傳熱各因素的分析

2.1 傳熱系數(shù)對(duì)傳熱速率的影響

增大總傳熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱的最積極的措施，應(yīng)重點(diǎn)考慮。從總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式中可知，管壁兩側(cè)的熱冷兩流體的對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻以及管壁熱阻共同決定換熱器的總傳熱系數(shù)。由于金屬壁導(dǎo)熱系數(shù)較大，其熱阻為非主要熱阻。流體的污垢熱阻在換熱器的使用初期較小，隨著時(shí)間的增加會(huì)逐漸增大。因此增大總傳熱系數(shù)主要從以下幾方面考慮：提高流體的流速、加強(qiáng)流體的擾動(dòng)、采用短管換熱器、及時(shí)清理掉已形成的積垢。

一般情況下加大雷諾數(shù)、增加換熱器的管程或殼程數(shù)、增加折流板等，可以提高流體的流速、增加流體的擾動(dòng)、提高換熱器的總傳熱系數(shù)。本文對(duì)EG（乙二醇）冷卻換熱器進(jìn)行了模擬工程計(jì)算，在保持其他參數(shù)不變的情況下，分別對(duì)換熱器的傳熱系數(shù)及管程數(shù)的變化情況進(jìn)行了對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見圖2。從圖2 可以看出，隨著管程數(shù)的增多，換熱器的傳熱系數(shù)逐漸增大。這是由于管程數(shù)的增加導(dǎo)致管子里熱物流（EG）的流速增大，加強(qiáng)了流體擾動(dòng)，提高了流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。

圖2 傳熱系數(shù)隨管程數(shù)的變化Fig.2 The heat transfer coefficient varies with the number of tube strokes

同理，在保持其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)折流板間距對(duì)傳熱效果的影響進(jìn)行了計(jì)算，見圖3。從圖3 可以看出，傳熱系數(shù)隨折流板間距的增大而減小，這是由于折流板的間距增大，折流板數(shù)就相對(duì)減少，也隨之減弱了殼側(cè)流體的擾動(dòng)，從而減弱了對(duì)流傳熱效果。但也可以看出，在折流板間距較小時(shí)，傳熱系數(shù)反而也較低，這是由于換熱器的整體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致有物流返混等現(xiàn)象出現(xiàn)，降低了傳熱效率，因此要取得較理想的傳熱效果，折流板間距（或折流板數(shù)）需保持在合適的范圍之內(nèi)。

圖3 傳熱系數(shù)隨折流板間距的變化Fig.3 The heat transfer coefficient varies with the gap between the baffle plates

另外，在換熱器的使用過程中，隨著時(shí)間的推移還存在結(jié)垢問題。如果不及時(shí)處理掉結(jié)垢，也會(huì)使換熱器的傳熱效率大大降低，生產(chǎn)能力隨之減弱，也有可能危害設(shè)備安全引發(fā)其他安全事故。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，90% 以上的換熱器或多或少存在著結(jié)垢問題[12]，這導(dǎo)致能量被浪費(fèi)。

本文對(duì)EG 冷卻換熱器的傳熱系數(shù)隨污垢的變化進(jìn)行了計(jì)算分析，詳見圖4。

圖4 傳熱系數(shù)隨流體熱阻的變化Fig.4 The change of heat transfer coefficient with fluid thermal resistance

圖4 中原始狀態(tài)0 表示EG 污垢系數(shù)取值0.0003 m2·K/W，冷卻循環(huán)水的污垢系數(shù)取值0.0001 m2·K/W，隨后流體雙層污垢系數(shù)按0.00005 m2·K/W 逐漸增加。從圖4 可以看出，隨著污垢系數(shù)的逐漸增大，換熱器的傳熱系數(shù)按一定斜率系數(shù)下降。因此要及時(shí)對(duì)生產(chǎn)裝置中的換熱器進(jìn)行清理除垢。

2.2 傳熱面積對(duì)傳熱速率的影響

增大傳熱面積，可以提高換熱器的傳熱效率。但工程上通常不采用大量增加材料消耗來增加傳熱面積[8]，因?yàn)檫@樣不僅增加了設(shè)備投資成本，還增加了設(shè)備的布置空間。因此增加傳熱面積主要從改進(jìn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)著手，在材料消耗量增加少許的情況下獲得較高的單位體積傳熱面積。管外強(qiáng)化傳熱通常采用增加肋片的方法，這樣不僅增加了換熱器的單位體積的面積，還加強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，強(qiáng)化了對(duì)流傳熱系數(shù)。換熱器管內(nèi)插入合適結(jié)構(gòu)的螺旋物也能起到同樣的效果，即產(chǎn)生了渦流、增強(qiáng)了流體的擾流程度，增加換熱器的有效面積，加快了換熱器的熱量交換。但換熱器的物流阻力也將增大，動(dòng)力消耗隨之增加。

通過對(duì)EG 冷卻換熱器的換熱管表面進(jìn)行低翅化處理，在其他條件不變的情況下，可以使乙二醇換熱器的傳熱速率增加約6%左右，可見對(duì)換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理是非常有效的強(qiáng)化傳熱途徑。

2.3 冷熱流體的平均溫差對(duì)傳熱速率的影響

傳熱平均溫差（Δtm）的大小主要取決于冷熱流體的溫度條件及兩邊流體在換熱器中的流動(dòng)布置形式。一般情況下，在化工裝置中冷熱流體的進(jìn)出口狀態(tài)是大致確定的，在這種情況下通常通過改變流態(tài)來增加平均溫度差。即在兩流體均為變溫的情況下，首先應(yīng)當(dāng)從結(jié)構(gòu)上盡可能考慮采用逆流和接近逆流的流向來設(shè)計(jì)換熱器，以便獲得較大的Δtm。

通過對(duì)乙二醇換熱器的逆流、并流對(duì)比模擬計(jì)算，在其他條件不變的情況下，逆流情況下的傳熱速率比并流時(shí)增加約3.5%左右。換熱器兩物流逆流時(shí)的平均溫差最大，并流時(shí)平均溫差最小。但逆流布置時(shí)存在問題：冷流體和熱流體的最高溫度都在換熱器的同一側(cè)，使換熱器兩側(cè)的溫差較大。因此實(shí)際操作中,不能盲目地追求加大平均溫差Δtm，應(yīng)從結(jié)構(gòu)上綜合考慮增大傳熱平均溫差和逆流布置的影響，同時(shí)兼顧整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)語

換熱器特別是管殼式換熱器在化工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，加強(qiáng)管殼式換熱器的傳熱效果，對(duì)節(jié)能減排及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過對(duì)EG 冷卻換熱器的模擬計(jì)算，從增大總傳熱系數(shù)K、增加換熱器的傳熱面積A 及增大流體的平均溫差Δtm三個(gè)主要方面分析了提高換熱器傳熱效果的途徑。

通過模擬計(jì)算得出：隨著管程數(shù)的增多，換熱器的傳熱系數(shù)將逐漸增大；傳熱系數(shù)隨折流板數(shù)的增加而變大；傳熱系數(shù)隨著流體污垢系數(shù)的增加而降低；從換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手，可以增加設(shè)備的換熱面積，在較少增加投資的情況下可獲得較高的效益；對(duì)換熱器的進(jìn)出口流態(tài)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可以有效增加傳熱效率。

同時(shí)也應(yīng)看到，增加換熱器的傳熱效果是一個(gè)綜合性問題，不能僅僅從單一方面考慮，既要考慮經(jīng)濟(jì)性，又要考慮安全性。要定期對(duì)換熱器進(jìn)行清洗除垢，化工生產(chǎn)企業(yè)要重視換熱器的維護(hù)工作，使設(shè)備處于優(yōu)化的狀態(tài)，從而節(jié)約能源、提升企業(yè)效益。