多股流换热器项目设计方案

38 多股流换热器项目设计方案 1简介 多股流换热器首先应用在同时传输超过两种冷热流体的低温过程 1。这种类型的换热器为了实现这种目标采用了外壳、螺旋管、板、翅。外壳和螺旋器能够处理一个冷流体对应两个或多个热流体，反之亦然，板翅式换热器的几何结构设计在同一个单元里能处理两种以上的热流体和冷流体。 命名 A 表面传热面积 c 自由流通面积 m2 a 传热系数比率 (公式 (8) b 传热指数 (公式 (8) 热容量 (J/) 热容流率 (W/ ) 水力直径 (m) F 摩擦系数 表面积比总面积 H 焓 ( 换热器高度 (m) h 传热系数 (W/) 表面积总传热系数 (W/ ) j 科尔伯恩系数 () k 水的热导率 (W/m ) 常用传热系数方程 (热水力模型 ) 压降方程中的常量 (热水力模型 ) 39 L 换热器长度 (m) m 质量流量 (kg/s) 每流段落 普朗特数 压降 Q 热负荷 (W) R 污垢热阻 ( /W) 雷偌数 墙体热阻 ( /W) 斯坦顿数 T 温度 ( ) V 通道体积 ( 换热器总体积 (W 换热器宽度 (m) x 摩擦系数与雷偌数比率 (公式 (9) y 摩擦指数与雷偌数比率 (公式 (9) 下标 1 交换器 1侧 2 交换器 2侧 w 壁条件 希腊字母 换热器一侧的总换热面积与总体积的比值 （ 40 换热器一侧的总换热面积与板块之间体积比 （ 板间距 （ m） 板厚度 （ 翅片的导热系数 (W/m ) 粘度（ kg/ 密度（ 翅片保温系数 翅片厚度（ 至于有人建议，热回收网络至少需要 独立的交换器，其中 N 是在这个过程中流体附加效用的数目 2，如果所有热力研究在一个独立的单元实现，那么空间、重量、支撑结构的节省就能实现，因此对于设计多股流换热器方法的发展这是一个动力。 主要关注的是关于能操作的如温度、压力和限制应用的如比较干净的液体对多流体在经常使用的扳翅热交换器型号中应用的限制。 由于多股流换热器是一个几种不同流体换热的独立单元，因此预计一系列的热交换将发生在这个单元里 3。由于流体在出口和入口温度的不同和物理特性的不同导致了没有相同的热量传输能力。 一个多流换热器可能由大量的段落或具有冷热流的通道组成 。在管道的基础上进行这样的系统传热计算是复杂的，因为这涉及到了通道总数目和管道与管道之间的相互作用。多流换热器以前的工作是基于“常规壁面温度假设”。这意味着，在垂直于流动方向的任何位置，所有分离板上的温度相同 4。随后的研究已经取代了常规壁温假设，一种更全面的分析正如在非相邻层的鳍片间的热传导 3,5中包括热流在一个含有多种流体的单元里流通的所有可能路径。 多流体换热器目前设计方法考虑分段区域一种流体在一个独立的路径上的设计， 8这一设计应用的结果是每一滴流会形成一系列具有对应热负荷和 压力的流长。单流的长度就是用来选择一个共同的长度和不断改变其它流体的翅式直到单流长度尺寸在一个合理的范围。 板式和翅片式多流换热器的热设计必须显示以下：总交换量 ;交换器尺寸（高度，宽度和长度），每条流的途径或通道数目 ; 每条流的翅片类型 ;换热系数和压降。在这项工作中，基本要素和基本认识导致一个合理的设计方法是否能够提出。 41 本文中该设计方法的开发主要涉及以下六个步骤： (1)温度、焓复合曲线图和复合曲线来确定焓间隔，温度场，热负荷和人口流体 11 (2)通过热负荷使每种流体衍生物达到均匀。 (3)运用体积 的设计公式 15来确定块长度和宽度； (4)选择适当的翅片或每种流体的二次曲面来实现统一的有效值 ( 13， 14； (5)通过通道数量和压降的测量来确定块高度； (6)通过降低压降缓和块尺寸。 在这项工作的发展方面取得的主要假设是：稳态运行，单相的传热过程，绝热操作，流体性质不变，恒定传热系数，可忽略的穿墙纵向热传导，流体分布均匀。另外，假定鳍热和摩擦性能数据分别为凯斯和伦敦 16，这将在本工作中使用，而且只对普朗特数大于 1 的液体有效。 2图形表示的多流换热器 如图 1 所示的复合曲线，代表了整个过程的 热平衡。它们是由一冷一热复合 而成 。热 复合 曲线代表的 是 参加这一进程的 所有热流体的热量总和 ，另一方面，冷复合曲线，代表 的是 必须添加 到 这一进程 的总热量 ，是所有冷 流体 在这个过程中 所需的 。当两条曲线的叠加，它们之间的重叠显示的热量，可在进程中收回，而两端的 超量 ，表明了 过程需 外加热 量 和制冷量 达到 热平衡。当假设物理性质不变，复合曲线中的每个斜率变化关系到流 体的 进入和 流 出。如果在坡度变化时绘制一条垂线，热回收全过程 就会分割 成各种区间。这些被称为焓间隔 ，其以 温度场（入口和出口温度），热负荷和 流体数量为特点 。对 绘制 这些曲线 的 技 术 已渐渐成熟 17，曲线之间几乎最近点处称为压力。 热交换器的传热过程需要通过换热网络。考虑到双流体换热器的最少个数需要满足过程所需热量，换热器的最小数从 开始计算，其中 N 是流体总数加上公共部分 2，然后在一个单位执行这些所有工作，潜在的节约了空间，重量和支撑结构的形式。 总体而言，如果一个热交换器能容纳所涉及的所有冷热流，那么整个过程的热负荷可得到满足。图 2a 显示每个焓间隔的特点是流体数，而且流体的入口和出口温度不变的地方，每个间隔可以被作为块设计。当每块的大小确定了，把它们放在一起，成为多流热 交换器，如图 2b。 焓间隔 42 图 1 代表了整个过程的热平衡 图 2 显示每个焓间隔的特点是流体数，而且流体的入口和出口温度不变的地方，每个间隔可以被作为块设计。 3压降和热负荷分布 流体焓间隔的特点是有一组给定的流量，压降允许值，以及热负荷。在这项工作中，假定每个流的允许压降对应于一个根据热负荷线性分布的焓间隔。因此： 热复合曲线 冷复合曲线 焓间隔 出口 进口 出口 4 进口 6 出口 8 出口 7 出口 43 , i n t, i n t ,()i e r v a li e r v a l i T o t a o t a 1） 其中 i 是流体编号 现在为使每流热负荷均匀， 流体需要在热分支数目等于冷分支数目的方式下分裂。一种可实现的方法是利用图 3，那显示出了一个给定的焓间隔的流体数和热容量流率（ 。每个流已经分裂，使每通道展现了相同的热负荷和热通道总数等于冷通道的总数。在图 3 中， 8W/ 和6 W/ 。 这表明，冷通道的热容必须是热通道热容流率的两倍。实现这一目标的一个方法是八个热通道，每个热通道的 1 瓦特每摄氏度；还有 8 个冷通道，其 2 瓦特每摄氏度。每个热通 道 每个冷通道 以表示为 h o t p a s s a g ec o l d p a s s a g e c o l d h o C P C P（ ）（ 2） 图 3 给定的焓间隔的流体数和热容量流率 （ 正如将要看到的，对热和冷端通道，最后的数字是该块的宽度，它是在设计方案中的某些阶段指定的函数。此外，在典型应用中，大多数流体最终将结束一个段落分数了。由于分数通道必须变成一个整数值。 A 级的分析，这超出了本文的范围，必须进行考虑这对性能变化的影响。 44 4板翅式换热器体积设 计方程 板翅式换热器的几何特性使其能在两个以上的流体间换热的能力。图 4 显示了这种结构类型的逆流安排。 一个典型的装配是由板块与鳍构成的。这些鳍的功能有三个方面：增加传热面积，提高湍流传热系数和提供板之间的机械支撑。板块之间构成的通道，冷热流体通过它在逆流方式下流通。一板翅式换热器的几何参数主要有：换热器总表面积（ ），板间距（ ），二次表面表面积（ 水力直径（ 翅片厚度（ ）和鳍热导率（ ）。一旦表面指定类型，所有这些参数都自行确定。 板翅式换热器在逆流设计方法中，将允许压力最大化作为设计重点。 15在这里扩展应用到多流体。在逆流情况下，只有一种流体能够充分利用其允许压降。此流体称为“临界流体” 15。换热器设计应为每种流体指定翅片形式（或二次表面）。在一个多流体应用中，必须为每个焓间隔选择“临界流体”。临界流体将与其它流体作比较，这就能计算相关的块尺寸（长度和宽度），以至于其它流体将会在几何方面满足他们的热负荷。该方法的基础是体积设计公式。这个模型介绍如下： 板片 翅片 侧栏 翅片（第二曲面） 板片 流动流体 侧栏 （ a） 板翅式换热器 45 图 4 板翅式换热器装配图和多流应用模型 双流体换热器的基本传热设计方程 Q U A F 3） 结合整体传热系数的定义从而给出 11 1 2 2 2 21 1 1 1 R h A h （ 4） 双流体换热器的基本传热设计公式可以与整体传热系数结合起来，让其中 热阻传热系数；由于热阻污垢两侧的 别为 1和 2。 墙体热工性能， F 是平均温差修正系数，对于逆流方式 F 值为 1。 该方程应用在板翅式换热器的情况下时，要求每边的总换热面用面积表示。涉及 的参数之一的总交换容量是 A，从这个定义看， 总交换量的关系是： 11= （ 5） 可表示为： 11112= + 22212= + （ 6） 其中是一侧到另一侧的表面积， 是 1 和 2 两侧间距。 经过将 （ 5） 代入 （ 4） 我们有 （ 7） 1 2 1 2 2 21 1 1 1= R RT h h （ 7） 方程 （ 7） 是根据热负荷、表面几何、总传热系数得到换热器体积； 1和 2分别是侧面 1 和 2 的保温系数，计算如下（ 8） （ b） 应用模型 46 12s 122ht a n 1 + 12 （ 8） 其中 二次表面总表面积的比率。 发展热水力模型的关键是利用全压降换热，这影响到换热器的传热系数。如前所述，只有知道表面传热和摩擦性能参数，那么利用全压降换热才能实现。凯斯和伦敦 16的提出呈现了一个合 理的紧凑型表面大量实验数据的综合设置。这些数据包括传热和摩擦系数。热性能中的换热因子相当于雷诺数功能；摩擦性能的摩擦系数由雷诺数函数给出。如方程 13 j= (9) f= (10) 开发这项热水力模型的基本表示形式是： 23 P(11) 12) A(13) 结合公式（ 9），（ 11） - （ 13）对传热系数的解决，我们有： 11 (14) 其中 123m (15) 现在，对于水力性能的换热器，通过一个紧凑型换热器核心的摩擦压降可表示为： 222 (16) 结合公式 （ 5），（ 10），（ 13） 和 （ 16） ，我们得到： 31 V A (17) 47 其中 212 d(18) 结合公式（ 14）和（ 17），我们有： 1313 (19) 公式 （ 19）代表的是涉及到流体总换热量和传热系数的热水力模型。我们可以从这个公式看出，每条流体一经过微元化，其几何特性和摩擦传热特性也会分析出来，所以我们只能用总换热量流体的传热系数来求解方程。 公式（ 7）连同（ 19）可以得到每条流体的总体积。换热器每流自由流通的地方都可以在方程（ 17）中计算。然后，自由流通面积与迎风面积可根据： (20) 其中可以计算 4 (21) 由 换热器长度（ L）是很容易计算出总体积和自由流通总面积的： 22) 现在只剩计算进口区域的尺寸了。在这种情况下定义一个自由度，这是用来决定换热器宽度（ W）和换热高度（ ，这反过来会影响到流体通道（ 数量。为此，有下面的公式： N W (23) 尽 管换热器的宽度和长度已经确定，但是还有一个尚未解决的问题是如何确保其余流体能得到应有的热负荷。这可以通过确保所有热流具有相近的（ ，实现这一目的的唯一手段是通过选择正确的二次表面或翅片。 5翅片类型的选择 现在，由于块长度和宽度已经确定，为了实现统一的 ，必须选择合适的翅片类型，选择翅片类型时可使用下面的表达式： h V(24) 48 其中 V 是每一段蒸汽量，而且长度（ L）和宽度（ W）是所有通道焓间隔尺寸的 总和，所以一个有效的（ 以表示为： e f f e c t i v e h (25) 其余流体可以从公式（ 14），（ 15），（ 20）和（ 21）中计算出合适翅片的几何数据。一旦（ 被算出，那么其它的也会迎刃而解的： 1 N N (26) 其中， e 是板的厚度。这里会得到一大批不同的翅片可供设计师选择。由凯斯和伦敦 16确定的传热翅片的数量是一个相当大的数目，其中 57 个可在这项工作中得 到应用13。 6.松弛压降 正如所想，除了宽度，每焓间隔的块尺寸最终将不会是统一的。块长度将最终取决于热负荷和压降，而且块高度由通道数量决定。块的宽度是在设计中可自由决定的，并且所有块的宽度都相同。因此，在这个阶段，我们只有一个共同的尺寸即块宽度。图 为了实现统一的块高度可以放大临界流体的压降，在这项工作中，放大压降是通过雷诺数操纵实现 13,14的。要做到这一点，其重点应放在块的参考高度上。如果块的高度与“参考高度”不同，那么要反复改变预期值，直到临界流体的 使所有的块高都与参考高度相同为止。计算机程序已可以完成整个过程设计。设计图如图 6。 图 5 显示了一个换热器在这个阶段的特性 49 构建复合曲线和确定每个焓间隔，及进口与出口温度，热负荷和流体数 指定 的操作条件和物理特性 选择其它流体的表面类型。如果热流体为临界流体，那么为热流体选择翅片，从而使 h A h A临 界 其 它 。如果冷流体为参考流体，那么选择表明类型，使 h A h A参 考 其 它 。用公式（ 25）计算出每流体的通道数和交换器的高度。 压降的分配和每通道的热负荷，计算出最小的通道数，定义每焓间隔的临界流体和参考流体 由临界流体和参考流体设计双流体板翅式换热器。应用体积公式（ 6）和水力模型（ 18）计算交换器体积。修改交换器宽度，并且确定交 换器长度。 重设块尺寸以获得统一的高度。选择一个参考值和改变临界流体的雷偌数，重复此过程直到块高达到其期望值。其它间隔亦如此。 由临界流体和参考流体选择翅片类型，读取性能与几何参数： a,b,x 和 y, , , ,多流体换热器设计方法 图 6 多流体板翅式换热器设计的总过程 50 7实施方法 选择一个假设的案例来演示上面所介绍的方法。表 1 显示了流体属性，运行条件和物理过程，构建复合曲线的最低温度为 20 。 图 7 显示了复合曲线和最低温度为 20 下的焓间隔。该图也显示了 6 个焓间隔，其中 1， 5 和 6 对应于换热过程；间隔 2， 3 和 4 代表热量回收过程。只有其后的间隔设计将考虑在内。 表格 1 案例的工程数据 图 7 复合曲线和最低温度为 20 下的焓间隔 流体 供水 目标 质量 压降 密度 k 类型 温度 温度 流量 kg/s kg/ J/ W/m 口 口 口 口 口 51 图 8 案例中每焓间隔的流体数 图表 2 压降分配 图表 3 热负荷和每间隔入口与出口的温度 每条流体的压降是按比例分配到每个区间的，如图 8 所示。这是每个区间热负荷如表 2 所示；进出口温度列于表 3。 流体 总压降 隔 52 8结果与讨论 对于设计区间 指定的临界流体开始。在这种情况下，只有冷流体 在所有流体中最低的允许压降在该区间出现，那么该流体才能指定为临界流体。热流体 看作为参考流体。同样的标准也适用于第三和第四区间。块尺寸和体积设 计的结果列于表 4。表 5含块的详细设计资料。其命名法与凯斯和伦敦 16是一样的。 图表 4 块尺寸 图表 5 详细设计（块 2） 图表 6 详细设计（块 3） 间隔 长度 m 宽度 m 高度 m 体积 体 通道数 表面类型 平翅 平翅 百叶窗 53 图表 7 详细设计（块 4） 块尺寸和体积设计的结果列于表 4。表 5 包含块的详细设计资料。其命名法与凯斯和伦敦 16是一样的。 图表 8 调节块尺寸（最终设计） 图表 9 最终设计（块 2） 流体 通道数 表面类型 流体 通道数 表面类型 间隔 长度 m 宽度 m 高度 m 体积 翅 平翅 平翅 百叶窗 百叶窗 百叶窗 百叶窗 54 图表 10 最终设计（块 3） 图表 11 最终设计（块 4） 流体 通道数 表面类型 流体 通道数 表面类型 平翅 平翅 平翅 平翅 百叶窗 百叶窗 百叶窗 55 我们可以从表 4 看出，三 节有不同的块高。在下一阶段的设计过程中，应寻求共同的块高。在这种情况下，块四高度的参考尺寸是 m。第二和第三块是重新设计了新的雷诺数，直至达到规定的高度。最后的结果显示在表 81。 多流体换热器的分区设计允许在部分容易识别处（如入口和出口）设置多个流体间隔。由于如此，换热器的核心尺寸有：长 ，宽 1 米 ，高 。换热器的宽度仍然可以自行改变，如有需要，可适当增加块高。因此，宽度缩小一倍，换热器高度降低两倍：宽 ，高 。 如表 91 所示，由此得到的