換熱器的選擇使用及強(qiáng)化傳熱

換熱器的選擇使用及強(qiáng)化傳熱

高麗

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)分公司甲醇廠(chǎng)，寧夏靈武，750411）

摘要：換熱器作為一種交換熱量的設(shè)備，具有強(qiáng)化傳熱措施傳熱阻力小、傳熱能力大的特點(diǎn)，也使換熱器的應(yīng)用更加廣泛。要選擇適合于生產(chǎn)系統(tǒng)的換熱器，就需要了解各種換熱器的性能和特點(diǎn)，筆者從換熱器的特點(diǎn)和換熱器強(qiáng)化傳熱的方式分析，以此提高換熱器的節(jié)能效果。
    關(guān)鍵詞：換熱器選擇使用強(qiáng)化傳熱
    中圖分類(lèi)號(hào)：TQ02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章標(biāo)號(hào)：1674-8492（2011）06-090-03
    換熱器在化工廠(chǎng)中大量使用，根據(jù)行業(yè)中換熱器的特點(diǎn)及實(shí)際使用情況正確選用換熱器，通過(guò)不斷研究和摸索，較大地挖掘換熱器在節(jié)能減排方面的潛能。
    1·幾種換熱器的特點(diǎn)
    1.1管殼式換熱器
    管殼式換熱器是典型的間壁式換熱器，在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成。主要類(lèi)型有Ｕ型管殼式換熱器（見(jiàn)圖1）、固定管板式換熱器（見(jiàn)圖2）、填料函式換熱器（見(jiàn)圖3）、浮頭式換熱器等（見(jiàn)圖4）。

              
    其中，可靠性高、易于制造、造價(jià)低、適應(yīng)性廣、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固是固定管板式換熱器較為突出的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是因熱膨脹使管子承受較大的應(yīng)力，殼程難清洗，較適用于殼程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢并能進(jìn)行化學(xué)清洗和管、殼程兩側(cè)溫差不大，或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合，是目前使用最為廣泛的一種換熱器。以神寧煤業(yè)集團(tuán)25t/a甲醇裝置為例，固定管板式換熱器約占總數(shù)的89%。
    Ｕ型管殼式換熱器主要特點(diǎn)是將成“Ｕ”型的管子固定在同一塊管板上，即一端固定另一端活動(dòng)，這種換熱器重量輕、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，且不受膨脹的影響。其主要缺點(diǎn)是管子不便拆換、管板利用率低，適用于溫差大、管內(nèi)流體介質(zhì)比較干凈的場(chǎng)合。神寧煤業(yè)集團(tuán)25t/a甲醇裝置低溫甲醇洗工段中的貧富甲醇換熱器大多就是采用“Ｕ”型管式換熱器，由于冷、熱流體的最終溫差達(dá)到100℃左右，使用其它換熱器無(wú)法克服由溫差引起的熱應(yīng)力，由于換熱效率不高以及單位體積的換熱面積較低，采用了10臺(tái)換熱器串聯(lián)的方式，且占地面積大，檢修工作量大。
    浮頭式換熱器及填料函式換熱器，這兩種換熱器兩端的管板有一端可以沿軸向自由浮動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生熱應(yīng)力，盡管結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但是在冷、熱流體溫差大的場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。
    1.2板面式換熱器
    板面式換熱器就是通過(guò)板面進(jìn)行傳熱的換熱器。由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使流體能在較低的流速下就達(dá)到湍流狀態(tài)，使換熱系數(shù)較高，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱，在換熱器處于正常狀態(tài)時(shí)，換熱系數(shù)一般能達(dá)到3000～5000Kcal/ｍ2h℃，較同等狀態(tài)和流速下的管殼式換熱器的阻力會(huì)大一些。如將板式換熱器和管殼式換熱器的耗功情況進(jìn)行比較，前者的換熱系數(shù)要比后者高出許多。板面式換熱器的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，流道小、易堵塞、不易清洗、難以檢修。
    在板面式換熱器中有一種板翅式換熱器（見(jiàn)圖5），這種換熱器的基本結(jié)構(gòu)是在兩塊平行金屬板之間放置一種波紋狀的金屬導(dǎo)熱翅片，在其兩側(cè)邊緣以封條密封，就組成了一個(gè)單元，把由這些單元組成的若干個(gè)板束組裝在一起便構(gòu)成了逆流、錯(cuò)流、錯(cuò)逆流板式換熱器。不同幾何形狀的翅片使流體在流道中形成強(qiáng)烈的湍流，使熱阻邊界層不斷破壞，從而有效地降低熱阻，提高傳熱效率。其傳熱系數(shù)一般比管殼式換熱器大3～10倍，單位體積內(nèi)的傳熱面積一般能達(dá)到2500～4370m2/m3，是管殼式換熱器的十幾倍到幾十倍，而相同條件下?lián)Q熱器的重量只有管殼式換熱器的10%～65%。目前在較大的空氣分離裝置中應(yīng)用廣泛。 

            
    2·換熱器強(qiáng)化傳熱的方式
    通過(guò)改善傳熱性能，從而達(dá)到改善和提高熱傳遞速率的目的。通過(guò)傳熱學(xué)理論我們得出，對(duì)于換熱設(shè)備穩(wěn)定傳熱時(shí)的換熱量Q等于傳熱系數(shù)與換熱面積及平均傳熱溫差的乘積，即：

            
    2.1擴(kuò)展傳熱面積F
    為了增加傳熱效果使用最簡(jiǎn)單、最多的一種方法是擴(kuò)展傳熱面積，但不能增加設(shè)備的體積來(lái)增加傳熱面積，那樣不但使設(shè)備龐大，而且增加了對(duì)設(shè)備的投資。目前，較好地方法是提高單位體積的傳熱面積，使用一些特殊構(gòu)件，如翅片管、波紋管、板翅式換熱器等。神寧煤業(yè)集團(tuán)25萬(wàn)t/a甲醇裝置精餾工號(hào)的加壓塔冷凝冷卻器在進(jìn)行改造時(shí)使用了波紋管換熱器，即用有2638根波紋管的換熱器替換了有3773根普通列管的換熱器，雖然少了1135根列管，但是換熱面積卻與原有換熱器一致。
    2.2加大傳熱溫差ΔT
    加強(qiáng)換熱器換熱效果最常用的措施之一是加大換熱器傳熱溫差ΔT。比較常用的方法有兩種：一是在熱流體和冷流體的進(jìn)出口溫度一定的情況下，通過(guò)使冷、熱流體相互逆流流動(dòng)，即采用不同的換熱面來(lái)實(shí)現(xiàn)改變平均傳熱溫差的目的。二是擴(kuò)大冷、熱流體進(jìn)出口溫度的差別以最大平均傳熱溫差，這種方法受實(shí)際設(shè)備或工藝的條件是否允許影響，所以在使用過(guò)程中應(yīng)盡可能的考慮到不能使其成為增強(qiáng)換熱器傳熱效果的最主要手段。如循環(huán)水冷卻器冷卻水的溫度受當(dāng)?shù)氐臍鉁?、濕度等因素影響，降溫比較困難，另一方面也大大增加了能耗。所以，應(yīng)綜合考慮熱力系統(tǒng)能量的實(shí)際情況，合理使用這種方法，而不能一味增加傳熱溫差。
    2.3增強(qiáng)傳熱系數(shù)（K）
    當(dāng)前，研究傳熱強(qiáng)化的重點(diǎn)和主要途徑之一是從提高換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)以增加換熱量著手。由方程式（1）可知，傳熱過(guò)程各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻疊加而成了總熱阻1/K，進(jìn)而得出為了提高傳熱系數(shù)可通過(guò)減小任何環(huán)節(jié)的熱阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，使傳熱過(guò)程的速率大大增加。但當(dāng)各個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻1/α1、δ/λ、1/α2具有不同數(shù)量級(jí)時(shí)，總熱阻的數(shù)值將由其中最大熱阻所決定。以套管換熱器為例，器壁熱阻δ/λ，可以忽略，當(dāng)α1遠(yuǎn)大于α2時(shí)，必定K≈α2，而當(dāng)α2遠(yuǎn)大于α1時(shí)，必定K≈α1。由此可見(jiàn)，在串聯(lián)過(guò)程中可能存在某個(gè)制約環(huán)節(jié)，須減小該環(huán)節(jié)熱阻，否則難以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。在對(duì)神寧煤業(yè)集團(tuán)25萬(wàn)t/a甲醇裝置氨冷凍工號(hào)的冷凝器進(jìn)行改造時(shí)就很好的利用了這一點(diǎn)，由于介質(zhì)的腐蝕，在改造時(shí)將列管更換為不銹鋼材質(zhì)（0Cr18Ni9），而此種材料的導(dǎo)熱系數(shù)僅為碳鋼的三分之一，但是改造后冷凝器的換熱效果卻大幅增強(qiáng)，冷卻水上、回水閥的開(kāi)度僅為原來(lái)的三分之一，很好的節(jié)約了冷卻水的用量。主要原因就是使用了特殊的換熱管———波紋管（見(jiàn)圖6），使得管內(nèi)的冷卻水湍流加強(qiáng)而大幅提高了管程的給熱系數(shù)。同時(shí)，由于波紋管的縮放作用，減少了污垢的生成使得冷凝器可以長(zhǎng)期運(yùn)行而不用清洗。相比之下金屬材料的熱阻遠(yuǎn)小于對(duì)流給熱的熱阻，在傳熱過(guò)程中不起主導(dǎo)作用。

            
    3·結(jié)束語(yǔ)
    隨著我國(guó)煤化工工業(yè)的興起，不少企業(yè)廣泛使用一些高效節(jié)能的換熱器，起到了節(jié)能減排的作用，但是傳統(tǒng)的固定管板式換熱器仍然是化工生產(chǎn)中最廣泛使用的換熱器，因此還有很大的節(jié)能空間。
    參考文獻(xiàn)
    ［1］陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋.化工原理［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，1999.
    作者簡(jiǎn)介：高麗（1982-），女，回族，助理工程師，2005年6月畢業(yè)于寧夏大學(xué)機(jī)械學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任職于神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)分公司甲醇廠(chǎng)。