新聞分類
聯系我們
- 地 址：哈爾濱市南崗區南通大街256號
- 電 話：13704813968
- 傳 真：0451-82552085
- 郵 箱：2004777@qq.com
分類號 TQ 051.5
Development of heat exchanger for high gas load and low liquid load
Lecturer Guo Yanshu
(Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018)
Abstract The strong and weak points of several kinds of heat exchanger for high gas load and low liquid load are analyzed.On the basis of practical calculation,the conclusion is obtained that the spiral plate heat exchanger with a strengthened heat-transfer unit is more suitble for the above-mentioned operation conditions.
Key words：high gas load,low liquid load,heat transfer,strengthened heat transfer
換熱器在國民經濟和工業生產領域中應用十分廣泛。其性能對產品質量、能源利用率及系統運行的經濟性和可靠性起著重要的作用。實際生產中，在設計氣-液換熱器(特別是中低壓氣-液換熱器)時，為了保證氣、液兩側的熱負荷相適應，就要使氣體的體積流量遠大于液體的體積流量，即形成典型的大氣量小液量的換熱工況。設計這類換熱器要解決的關鍵問題，是要合理選擇和設計換熱器的形式與結構，既要使氣、液介質均在經濟流速下流動，同時又能獲得較大的傳熱系數。否則，由于液體側流速過低會使傳熱系數減小且易發生結垢，而氣側流速過高則會使阻力增大,能耗增加。
1 幾種換熱器性能分析
1.1 多管程列管式換熱器
列管式換熱器用于大氣量小液量工況時，為了滿足氣、液流速的經濟性，一般選擇多管程結構，液體分多程走管內，氣體走管外。通過選擇不同管程數和管間距可以調節管、殼程式的流通面積，從而使氣、液流速均在適宜的范圍內，達到較理想的流動狀態。但這同時也造成了換熱器布管密度低，結構不夠緊湊，體積較大。
1.2 螺旋板式換熱器
筆者認為，一些資料介紹的結構上較適合于蒸汽冷凝的III型螺旋板換熱器同樣也適合于大氣量小液量的氣、液換熱［1，2］。該換熱器一個通道的兩端全焊死，另一通道的兩端全敞開。液體可在兩端全焊死的通道內由周邊轉到中心，然后再轉到另一邊流出，這樣可以有較高的流速。而氣體通過全敞開的流道作軸向流動，從結構上保證了氣體的流通截面積遠大于流體的流通截面積，而且氣體流道的長度也遠小于液側，可使氣側阻力不致過大。但這種換熱器液體通道清洗困難，因此要求液體清潔，不易結垢，而且其承壓能力較低，使用壓力一般不超過1.6 MPa。
1.3 熱管換熱器
熱管換熱器用于大氣量小液量的氣、液換熱時，可以通過適當調整熱管蒸發段和冷凝段長度的比例，來減小液體的流通面積，提高液體的流速，從而保證有較適宜的傳熱系數，同時可保證氣體側流通面積較大以防止氣速過高。為了強化氣體側的傳熱，可在氣側熱管外安裝翅片以擴展其傳熱面積。由于熱管換熱器具有即便單支熱管一端損壞也不致造成兩流體摻混、不會影響設備運行以及不用停車檢修的特點，因此用于一側介質腐蝕性較強的情況下更能顯示其優越性。據介紹［3］，將圖1的熱管式水加熱器用于小氮肥廠變換工段，用變換氣余熱加熱飽和塔來的循環水，取得了較好的換熱效果，同時大大延長了水加熱器的使用壽命。熱管換熱器的缺點是熱管排布密度低，在傳熱面積相同的條件下體積較大，且加工制造麻煩。
|
圖1 熱管式水加熱器 2 強化傳熱型螺旋板換熱器 上面所述的3種換熱器均能用于大氣量小液量的工況，但每一種在使用時又都有其局限性。例如，III型螺旋板換熱器除了上述提到的承壓能力較低的缺點外，氣體通過軸向流道的光滑壁面的給熱系數很小，而液體走螺旋通道給熱系數要大得多。因此，如果能強化氣體通道的傳熱，將大大提高這種換熱器的傳熱效率。鑒于此，筆者設計開發了強化傳熱型螺旋板換熱器，即在III型螺旋板換熱器的氣體通道內設置各種強化傳熱元件。圖2為其中一種結構，即氣體通道螺旋板表面為人字型波紋狀。這樣可大大增強流體的擾動，使其在較低流速下即達到湍流，從而使提高給熱系數。強化傳熱元件使單位體積內的傳熱面積增加，從而使傳熱得到了強化。同時各種形狀的凸起物對螺旋板也可起到加強作用，使其承壓能力提高，擴大了螺旋板換熱器的使用范圍。 |
|
圖2 強化傳熱螺旋板結構 下面就某一設計實例將強化傳熱型螺旋板換熱器與上述3種換熱器作一比較。 2.1 實例 氣氨-軟水換熱器的工藝條件：熱介質為軟水，水量為4.5 m3/h，壓力(表)0.7 MPa，進口溫度25 ℃，出口溫度18 ℃；冷介質為氣氨，氣量4 070 m3/h，壓力(絕)0.13 MPa，進口溫度-10 ℃，出口溫度5 ℃。 2.2 計算結果比較 根據上述工藝條件，對列管式換熱器、螺旋板換熱器、熱管換熱器及強化傳熱型螺旋板換熱器進行了計算，結果見表1和表2。 表1 結構參數 |
| 換熱器型式 | 換 熱 器 結 構 參 數 |
| 列管換熱器 | 四管程,換熱管規格25 mm×2.5 mm，根數n=134，三角形錯列，間距t=60 mm，圓缺型折流板，間距S=250 mm |
| 螺旋板換熱器 | 螺旋板高度H=600 mm，軟水通道寬度b1=5 mm，氣氨通道寬度b2=5 mm |
| 熱管換熱器 | 熱管規格25 mm×2.5 mm，根數n=310，三角形錯列，間距t=60 mm，加熱段(軟水側)長Lh=160 mm，冷卻段(氣氨側)長Lc=340 mm，翅片外徑50 mm，間距S=2 mm |
| 強化傳熱型 螺旋板換熱器 |
螺旋板高度H=400 mm，軟水通道寬度b1=5 mm，氣氨通道寬度b2=8 mm，氣側通道壁上有人字型花紋 |
|
表2 計算結果 |
| 換熱器型式 | 總傳熱系數 K/W.m－2.℃－1 |
傳熱面積 F/m2 |
換熱器尺寸 ×H／mm×mm |
液側阻力 △p1/Pa |
氣側阻力 △p2／Pa |
| 列管換熱器 | 102.3 | 15.2 | 8002 350 | 212.2 | 1 265.6 |
| 螺旋板換熱器 | 114.0 | 13.6 | 6001 400 | 5 410.7 | 1 083.0 |
| 熱管換熱器 | 130.3 | 11.9 | 6002 100 | 15.1 | 687.5 |
| 強化傳熱型 螺旋板換熱器 |
247.0 | 6.3 | 5001 100 | 6 560.0 | 1 475.0 |
| 計算結果表明，在同樣工藝條件下，四管程列管換熱器體積最大，熱管換熱器雖然阻力較小，傳熱能力也較大，但由于布管密度較低，因此熱管式換熱器的體積比螺旋板換熱器的體積要大。另外，熱管換熱器的加工要求較高，造價也相對較高。綜合比較，螺旋板換熱器對壓力較低的大氣量小液量換熱工況較為適宜，特別是強化傳熱型螺旋板換熱器更是如此，主要表現在：①傳熱效果好。強化傳熱型螺旋板換熱器的總傳熱系數分別為四管程列管式換熱器的2.4倍，普通螺旋板換熱器的2.2倍，熱管換熱器的1.9倍。②設備體積小，造價低。其體積僅為四管程列管換熱器的1/5左右及熱管換熱器的2/5左右，而且加工難度不大。③雖然阻力比其它3種換熱器大些，但仍在設計要求的范圍內，不會造成操作費用的明顯上升。
3 結語 III型螺旋板換熱器對壓力不太高(低于1.6 MPa)的大氣量小液量(一般氣、液換熱均如此)換熱過程有較強的適應性。而強化傳熱型螺旋板換熱器，則利用了氣體傳熱系數較低的特性，有針對性地采取了強化傳熱措施，使其傳熱能力明顯的增強，因此更適合于大氣量小液量的換熱工況。 作者單位：郭彥書（河北科技大學(石家莊 050018) 講師） 參考文獻 [1] 《化學工程手冊》編委會.化學工程手冊(2).北京：化學工業出版社,1989. |
