換熱器的選擇使用及強化傳熱

高麗

（神華寧夏煤業集團煤炭化學工業分公司甲醇廠，寧夏靈武，750411）

摘要：換熱器作為一種交換熱量的設備，具有強化傳熱措施傳熱阻力小、傳熱能力大的特點，也使換熱器的應用更加廣泛。要選擇適合于生產系統的換熱器，就需要了解各種換熱器的性能和特點，筆者從換熱器的特點和換熱器強化傳熱的方式分析，以此提高換熱器的節能效果。
    關鍵詞：換熱器選擇使用強化傳熱
    中圖分類號：TQ02文獻標識碼：A文章標號：1674-8492（2011）06-090-03
    換熱器在化工廠中大量使用，根據行業中換熱器的特點及實際使用情況正確選用換熱器，通過不斷研究和摸索，較大地挖掘換熱器在節能減排方面的潛能。
    1·幾種換熱器的特點
    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主導地位。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成。主要類型有Ｕ型管殼式換熱器（見圖1）、固定管板式換熱器（見圖2）、填料函式換熱器（見圖3）、浮頭式換熱器等（見圖4）。

              
    其中，可靠性高、易于制造、造價低、適應性廣、結構堅固是固定管板式換熱器較為突出的優點。缺點是因熱膨脹使管子承受較大的應力，殼程難清洗，較適用于殼程介質清潔不易結垢并能進行化學清洗和管、殼程兩側溫差不大，或溫差較大但殼側壓力不高的場合，是目前使用最為廣泛的一種換熱器。以神寧煤業集團25t/a甲醇裝置為例，固定管板式換熱器約占總數的89%。
    Ｕ型管殼式換熱器主要特點是將成“Ｕ”型的管子固定在同一塊管板上，即一端固定另一端活動，這種換熱器重量輕、結構較簡單，且不受膨脹的影響。其主要缺點是管子不便拆換、管板利用率低，適用于溫差大、管內流體介質比較干凈的場合。神寧煤業集團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到100℃左右，使用其它換熱器無法克服由溫差引起的熱應力，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臺換熱器串聯的方式，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，這種結構幾乎不產生熱應力，盡管結構較為復雜，但是在冷、熱流體溫差大的場合得到了廣泛應用。
    1.2板面式換熱器
    板面式換熱器就是通過板面進行傳熱的換熱器。由于結構上的特點，使流體能在較低的流速下就達到湍流狀態，使換熱系數較高，進而強化傳熱，在換熱器處于正常狀態時，換熱系數一般能達到3000～5000Kcal/ｍ2h℃，較同等狀態和流速下的管殼式換熱器的阻力會大一些。如將板式換熱器和管殼式換熱器的耗功情況進行比較，前者的換熱系數要比后者高出許多。板面式換熱器的主要缺點是結構復雜、造價高，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（見圖5），這種換熱器的基本結構是在兩塊平行金屬板之間放置一種波紋狀的金屬導熱翅片，在其兩側邊緣以封條密封，就組成了一個單元，把由這些單元組成的若干個板束組裝在一起便構成了逆流、錯流、錯逆流板式換熱器。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。其傳熱系數一般比管殼式換熱器大3～10倍，單位體積內的傳熱面積一般能達到2500～4370m2/m3，是管殼式換熱器的十幾倍到幾十倍，而相同條件下換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用廣泛。 

            
    2·換熱器強化傳熱的方式
    通過改善傳熱性能，從而達到改善和提高熱傳遞速率的目的。通過傳熱學理論我們得出，對于換熱設備穩定傳熱時的換熱量Q等于傳熱系數與換熱面積及平均傳熱溫差的乘積，即：

            
    2.1擴展傳熱面積F
    為了增加傳熱效果使用最簡單、最多的一種方法是擴展傳熱面積，但不能增加設備的體積來增加傳熱面積，那樣不但使設備龐大，而且增加了對設備的投資。目前，較好地方法是提高單位體積的傳熱面積，使用一些特殊構件，如翅片管、波紋管、板翅式換熱器等。神寧煤業集團25萬t/a甲醇裝置精餾工號的加壓塔冷凝冷卻器在進行改造時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出口溫度一定的情況下，通過使冷、熱流體相互逆流流動，即采用不同的換熱面來實現改變平均傳熱溫差的目的。二是擴大冷、熱流體進出口溫度的差別以最大平均傳熱溫差，這種方法受實際設備或工藝的條件是否允許影響，所以在使用過程中應盡可能的考慮到不能使其成為增強換熱器傳熱效果的最主要手段。如循環水冷卻器冷卻水的溫度受當地的氣溫、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，應綜合考慮熱力系統能量的實際情況，合理使用這種方法，而不能一味增加傳熱溫差。
    2.3增強傳熱系數（K）
    當前，研究傳熱強化的重點和主要途徑之一是從提高換熱設備的傳熱系數以增加換熱量著手。由方程式（1）可知，傳熱過程各串聯環節的熱阻疊加而成了總熱阻1/K，進而得出為了提高傳熱系數可通過減小任何環節的熱阻來實現，使傳熱過程的速率大大增加。但當各個環節的熱阻1/α1、δ/λ、1/α2具有不同數量級時，總熱阻的數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α1遠大于α2時，必定K≈α2，而當α2遠大于α1時，必定K≈α1。由此可見，在串聯過程中可能存在某個制約環節，須減小該環節熱阻，否則難以達到強化傳熱的目的。在對神寧煤業集團25萬t/a甲醇裝置氨冷凍工號的冷凝器進行改造時就很好的利用了這一點，由于介質的腐蝕，在改造時將列管更換為不銹鋼材質（0Cr18Ni9），而此種材料的導熱系數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，冷卻水上、回水閥的開度僅為原來的三分之一，很好的節約了冷卻水的用量。主要原因就是使用了特殊的換熱管———波紋管（見圖6），使得管內的冷卻水湍流加強而大幅提高了管程的給熱系數。同時，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期運行而不用清洗。相比之下金屬材料的熱阻遠小于對流給熱的熱阻，在傳熱過程中不起主導作用。

            
    3·結束語
    隨著我國煤化工工業的興起，不少企業廣泛使用一些高效節能的換熱器，起到了節能減排的作用，但是傳統的固定管板式換熱器仍然是化工生產中最廣泛使用的換熱器，因此還有很大的節能空間。
    參考文獻
    ［1］陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋.化工原理［M］.化學工業出版社，1999.
    作者簡介：高麗（1982-），女，回族，助理工程師，2005年6月畢業于寧夏大學機械學院過程裝備與控制工程專業，現任職于神華寧夏煤業集團煤炭化學工業分公司甲醇廠。