大气量小液量换热器开发

晨怡热管郭彦书 2008-12-22 19:48:26

分类号　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

　　换热器在国民经济和工业生产领域中应用十分广泛。其性能对产品质量、能源利用率及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用。实际生产中，在设计气-液换热器(特别是中低压气-液换热器)时，为了保证气、液两侧的热负荷相适应，就要使气体的体积流量远大于液体的体积流量，即形成典型的大气量小液量的换热工况。设计这类换热器要解决的关键问题，是要合理选择和设计换热器的形式与结构，既要使气、液介质均在经济流速下流动，同时又能获得较大的传热系数。否则，由于液体侧流速过低会使传热系数减小且易发生结垢，而气侧流速过高则会使阻力增大,能耗增加。

1　几种换热器性能分析

1.1　多管程列管式换热器

　　列管式换热器用于大气量小液量工况时，为了满足气、液流速的经济性，一般选择多管程结构，液体分多程走管内，气体走管外。通过选择不同管程数和管间距可以调节管、壳程式的流通面积，从而使气、液流速均在适宜的范围内，达到较理想的流动状态。但这同时也造成了换热器布管密度低，结构不够紧凑，体积较大。

1.2　螺旋板式换热器

　　笔者认为，一些资料介绍的结构上较适合于蒸汽冷凝的III型螺旋板换热器同样也适合于大气量小液量的气、液换热^［1，2］。该换热器一个通道的两端全焊死，另一通道的两端全敞开。液体可在两端全焊死的通道内由周边转到中心，然后再转到另一边流出，这样可以有较高的流速。而气体通过全敞开的流道作轴向流动，从结构上保证了气体的流通截面积远大于流体的流通截面积，而且气体流道的长度也远小于液侧，可使气侧阻力不致过大。但这种换热器液体通道清洗困难，因此要求液体清洁，不易结垢，而且其承压能力较低，使用压力一般不超过1.6 MPa。

1.3　热管换热器

　　热管换热器用于大气量小液量的气、液换热时，可以通过适当调整热管蒸发段和冷凝段长度的比例，来减小液体的流通面积，提高液体的流速，从而保证有较适宜的传热系数，同时可保证气体侧流通面积较大以防止气速过高。为了强化气体侧的传热，可在气侧热管外安装翅片以扩展其传热面积。由于热管换热器具有即便单支热管一端损坏也不致造成两流体掺混、不会影响设备运行以及不用停车检修的特点，因此用于一侧介质腐蚀性较强的情况下更能显示其优越性。据介绍^［3］，将图1的热管式水加热器用于小氮肥厂变换工段，用变换气余热加热饱和塔来的循环水，取得了较好的换热效果，同时大大延长了水加热器的使用寿命。热管换热器的缺点是热管排布密度低，在传热面积相同的条件下体积较大，且加工制造麻烦。

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图1　热管式水加热器

2　强化传热型螺旋板换热器

　　上面所述的3种换热器均能用于大气量小液量的工况，但每一种在使用时又都有其局限性。例如，III型螺旋板换热器除了上述提到的承压能力较低的缺点外，气体通过轴向流道的光滑壁面的给热系数很小，而液体走螺旋通道给热系数要大得多。因此，如果能强化气体通道的传热，将大大提高这种换热器的传热效率。鉴于此，笔者设计开发了强化传热型螺旋板换热器，即在III型螺旋板换热器的气体通道内设置各种强化传热元件。图2为其中一种结构，即气体通道螺旋板表面为人字型波纹状。这样可大大增强流体的扰动，使其在较低流速下即达到湍流，从而使提高给热系数。强化传热元件使单位体积内的传热面积增加，从而使传热得到了强化。同时各种形状的凸起物对螺旋板也可起到加强作用，使其承压能力提高，扩大了螺旋板换热器的使用范围。

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图2　强化传热螺旋板结构

　　下面就某一设计实例将强化传热型螺旋板换热器与上述3种换热器作一比较。

2.1　实例

　　气氨-软水换热器的工艺条件：热介质为软水，水量为4.5 m³/h，压力(表)0.7 MPa，进口温度25 ℃，出口温度18 ℃；冷介质为气氨，气量4 070 m³/h，压力(绝)0.13 MPa，进口温度-10 ℃，出口温度5 ℃。

2.2　计算结果比较

　　根据上述工艺条件，对列管式换热器、螺旋板换热器、热管换热器及强化传热型螺旋板换热器进行了计算，结果见表1和表2。

表1　结构参数

换热器型式	换热器结构参数
列管换热器	四管程,换热管规格25 mm×2.5 mm，根数n=134，三角形错列，间距t=60　mm，圆缺型折流板，间距S=250　mm
螺旋板换热器	螺旋板高度H=600　mm，软水通道宽度b₁=5　mm，气氨通道宽度b₂=5　mm
热管换热器	热管规格25 mm×2.5　mm，根数n=310，三角形错列，间距t=60　mm，加热段(软水侧)长L_h=160　mm，冷却段(气氨侧)长L_c=340　mm，翅片外径50　mm，间距S=2　mm
强化传热型螺旋板换热器	螺旋板高度H=400　mm，软水通道宽度b₁=5　mm，气氨通道宽度b₂=8　mm，气侧通道壁上有人字型花纹

表2　计算结果

换热器型式	总传热系数 K/W^.m^－2.℃^－1	传热面积 F/m²	换热器尺寸×H ／mm×mm	液侧阻力 △p₁/P_a	气侧阻力 △p₂／P_a
列管换热器	102.3	15.2	8002 350	212.2	1 265.6
螺旋板换热器	114.0	13.6	6001 400	5 410.7	1 083.0
热管换热器	130.3	11.9	6002 100	15.1	687.5
强化传热型螺旋板换热器	247.0	6.3	5001 100	6　560.0	1 475.0

　　计算结果表明，在同样工艺条件下，四管程列管换热器体积最大，热管换热器虽然阻力较小，传热能力也较大，但由于布管密度较低，因此热管式换热器的体积比螺旋板换热器的体积要大。另外，热管换热器的加工要求较高，造价也相对较高。综合比较，螺旋板换热器对压力较低的大气量小液量换热工况较为适宜，特别是强化传热型螺旋板换热器更是如此，主要表现在：①传热效果好。强化传热型螺旋板换热器的总传热系数分别为四管程列管式换热器的2.4倍，普通螺旋板换热器的2.2倍，热管换热器的1.9倍。②设备体积小，造价低。其体积仅为四管程列管换热器的1/5左右及热管换热器的2/5左右，而且加工难度不大。③虽然阻力比其它3种换热器大些，但仍在设计要求的范围内，不会造成操作费用的明显上升。

3　结语

　　III型螺旋板换热器对压力不太高(低于1.6 MPa)的大气量小液量(一般气、液换热均如此)换热过程有较强的适应性。而强化传热型螺旋板换热器，则利用了气体传热系数较低的特性，有针对性地采取了强化传热措施，使其传热能力明显的增强，因此更适合于大气量小液量的换热工况。

作者单位：郭彦书（河北科技大学(石家庄 050018)　讲师）

参考文献

　[1]　《化学工程手册》编委会.化学工程手册(2).北京：化学工业出版社,1989.
　[2]　化工设备设计全书编委会.换热器设计.上海：上海科技出版社,1988.

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