换热器的传热强化与优化设计

1、化工装备技术第18卷第2期1997年25换热器的传热强化与优化设计湖南大乘资氮集团有限公司贺运初根据传热基本方程式分析了强化传热的途径, 概述了国内外传热强化技术, 简要介绍了换热器的优化设计与选型。关键词换热器传热强化优化设计传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程, 用来完成各种热传递过程的换热器是化工、石油、制药、能源等工业部门中应用相当广泛的单元设备之一。例如, 在化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%左右, 在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右, 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的1。自从70年代初发生世界性能源危机以来, 能源费用在制造成本中所占的

2、比率迅速增大, 随着现代工业的飞速发展, 一方面能源紧张的径r 作图, 结果见图3、图4。由图3知, 简支的挠度比固支的大; 最大挠度都发生在管板中心(r =0 ; 但不论简支或固支, 最大挠度均较小, 如简支时管板中心w 0. 7mm 。由图4知, 简支与固支的最大q 值均出现在周边处(r =0. 2m , 且均为负值, 说明管子受压。该压力可能使管子失稳, 现对其进行稳定性分析。查图4知, 简支q max =-8. 6M Pa, 固支q max=-7. 7M Pa 。而每根管子所占的管板面积a =A/n=1. 153×10m , 故管子所受的最大压力p 为简支固支而管子柔度3:E

3、 1=9912N p =q max a =8875N p =q max a -32状况愈演愈烈, 另一方面在各工业生产过程中存在很大的节能潜力。例如, 我国因能源不足而影响了30%40%的开工率, 但能源利用率仅为28%, 日本和西欧的能源利用率也只有57%和40%; 若能将我国的能源利用率从28%提高到国外中等水平的40%, 则每年节约的能源相当于1亿多吨标准燃料2。为缓和能源紧张的状况, 世界各国都在寻找新的能源和节约能源的途径, 而要研究如何开发诸如核能、地热、太阳能等新能源, 如何高效回收化工、石油等工业生产过程中存在的大量余热并加以充分式中E =0. 5(两端固支杆 , L 6m ,

4、 i =8. 3254×10-3m (管子最小惯性半径 。故管子的临界压力3为2t p cr =(0. 5L式中J 为管子横截面惯性矩:-34-344(25×10 -(22×10 m 64将J 、E t 、L 值代入式(19 得J=p cr =1683N n p (简支或固支 可见管子已严重失稳, 这应值得注意。参考文献1美铁摩辛柯S 等著. 板壳理论. 中译本. 北京:科学出版社, 1977.2樊映川等编. 高等数学讲义(下册 . 北京:人民教育出版社, 1979.3刘鸿文主编. 材料力学(下册 . 北京:人民教育出版社,26换热器的传热强化与优化设计提高总传热

5、系数K 是当今传热强化研究的重点, 从计算式K =+R 1+R 2+12可知, 要提高总传热系数K , 就必须减小各项热阻, 因D /K 由工艺使用条件等确定, 故大多针对1/A 1、2采取有效措施, 以达到R 1、R 2和1/A 减小热阻, 提高传热效率之目的。1. 3. 1减小对流传热的热阻常通过加大流速或人工紊流的方法, 增强流体湍动程度, 减小传热边界层中滞流内层的厚度, 以提高对流传热系数, 减小对流传热的热阻。对此, 国内外学者提出了很多行之有效的方法, 例如:增加列管式换热器的管程数和壳程中挡板数; 改进管子排列方式; 优化介质流速; 设法造成压力的脉动; 将板式换热器的板面压制

6、成凹凸不平的波面; 采用板(波面传热板 壳式、绕管式新结构; 应用新型壳程折流支承结构如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、整圆槽孔支承板、齿卡带支承、波网支承(NEST 、杆式或条形支承(俗称折流杆 和空心环支承等; 利用扰动促进物如螺旋线、入口涡流发生器、扭带、斜环片、位移促进器、螺旋沟槽、横向翅片、圆环、静态混合器、丝网内插件、球形体带、交叉锯齿带、波形物等; 采用扩面强化传热管如螺旋槽纹管、横槽纹管、螺纹管等; 改变流通截面如使用压扁圆管、缩扩管或在管内设置孔板等; 采用高效组合传热系统如热管、热虹吸管等; 将热传递表面特制成粗糙表面如表面多孔管(High Flux 、T 形翅片

7、管(Gew a-T管 、机械加工表面多孔管(E 管 、双层T 管、双层表面多孔管等; 提供热传递的激励以实现主动强化如使用附加电场、磁场、超声波或机械动力等来扰动和破坏边界层; 在某些高粘度流体中加入减粘剂, 或在介质中加入与其互不相溶的表面活性物质等。38利用, 都离不开寿命周期费用最经济、综合效率最高的换热器, 因此, 世界各国都十分重视传热强化技术的研究开发和换热器的优化设计。1强化传热的途径提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的最有效措施是强化传热。传热强化技术就是当高温流体和低温流体在某一传热面两侧流动时, 使单位时间内两流体间交换的热量Q 增大。从传热基本方程式Q=KF $t 可

8、知, 扩大传热面积F 、增大传热温差$t 和总传热系数K 均可提高传热速率, 在换热器的研究、设计和使用操作中, 大多从这三方面来考虑强化传热过程。因某些措施对传热的强化功能同时在上述二三种途径中发挥作用(如采用轧槽管同时具有扩大传热表面积和增大总传热系数的功能 , 故具体的强化技术在传热强化途径(方法 中的类别划分不很严格, 通常将其归类于起主要作用的途径(方法 。1. 1扩大传热面积F扩大传热面积不应靠加大设备的尺寸来实现, 而应从设备的结构来考虑, 提高换热器的紧凑性, 用最少的材料费取得最大的传热量。一般通过下列途径来增加单位体积设备的有效传热面积3、4:采用合适的内外导流筒结构, 最

9、大限度地消除管壳式换热器挡板处的传热不活跃区; 热传递面采用扩展表面, 如在对流传热系数较小一侧的热传递基本面上附加翅片、筋片、销钉等; 提高原有热传递表面, 如将表面处理成憎水性的覆盖层、多孔性的覆盖层、双波纹状管等; 采用螺旋式、板式等结构紧凑的新型换热器。1. 2增大传热温差$t增大传热的平均温度差也是强化传热的一种有效方法, 但受到生产工艺条件等的限制, 其主要措施是通过对传热面的合理布置, 尽量使冷热流体逆流或接近逆流。化工装备技术第18卷第2期1997年传热设备在运行过程中, 热传递表面常有污垢积存, 对传热产生附加热阻, 导致传热速率降低, 估计其总传热系数下降的幅度在30%9以

10、上, 由此引起设备寿命周期费用显著增大, 造成巨大的经济损失。因传热设备污垢所造成经济损失的宏观估计9为:英国工业每年损失3. 74. 9亿英磅, 我国工业每年损失100亿元以上, 美国炼油工业每年损失3. 6亿美元, 气侧污垢使美国工业每年损失36亿美元。由于过去对污垢形成的机理研究甚少, 垢层厚度及其导热系数很难准确估计, 但在估算总传热系数K 时又必须考虑垢层热阻, 设计人员通常采用垢层热阻的经验值作为估算K 值的依据, 有时为使换热器胜任工艺条件, 往往还加上一个安全系数, 因而在设计计算后选用的传热面积中有较大部分用来应付污垢, 使实际应用的换热器比其清洁无垢时所需传热面积增加较多,

11、 不仅导致设备购置费用显著增大, 而且因流体速度与无垢情形相比大为降低, 使热传递表面更易结垢, 容易形成降低传热效率的恶性循环。针对污垢这一严重影响传热效率的问题, 科技人员从防止结垢和及时清除垢层两方面着手, 进行了一系列卓有成效的研究, 提出了许多有效的处理措施。据文献10介绍, 美国传热研究有限公司(HT RI 和管式换热器制造商协会(T EM A 曾组成一个联合委员会, 改写TEM A 规定的冷却水污垢标准。在介质中加入阻垢剂类微量物质, 可以保证设备在更长时间内高效运行, 同时减小垢下10腐蚀, 延长设备使用寿命5、, 例如荷兰国家矿27盐水中沸腾时只要低于某临界浓度就能防止N a

12、Cl 析出; 在严重结垢和壁温恒定条件下进行的光管、内翅片管和螺旋槽管的抗垢性能比较研究表明, 在相同操作条件下内翅片管和螺旋槽管的传热系数仍比光管高10%90%, 其中螺旋槽管的污垢热阻比光管低20%50%。清除污垢的方法有机械方法、化学方法和物理方法。利用美国DIALOG 系统数据库对有关传热表面清洗的1325件世界专利进行的统计分析结果9表明, 机械方法占污垢清除方法的大部分, 化学方法约占25%, 物理方法只占2%左右。用得较多的机械方法有往复式机械法、旋转式机械法、振动清洗、喷丸清洗、射流清洗、固体颗粒流态化清洗等除垢方法; 常用的化学方法有碱洗、酸洗、氨洗、专用溶剂清洗、燃烧除垢等

13、; 变形除垢法等物理方法则用得较少。对于具体的传热设备、应根据设备的结构和材质、污垢种类、流体性质、使用条件等因素来选择合适的除垢方法。1. 3. 3同时减小对流传热和污垢热阻湘潭大学俞秀民教授等根据热传递表面污垢与传热流体边界层不仅紧密毗邻, 而且两者均是主要热阻的特点, 提出了将强化对流传热与减免污垢结合起来, 利用传热流体的自身动力实现传热表面在线自动防垢除垢和强化传热边界层中滞流内层之热传递过程相结合的技术开发新思路, 并据此研究出液固流态化法、扭孔带转动法、螺旋弹簧振动法等自洁高效传热技术, 已在湖南大乘资氮集团有限公司、南京化学工业公司化肥厂、湖南农药厂等多家工业企业实际应用, 取

14、得了显著的增产节能效13、14果9、。12业公司目前普遍采用聚磷酸锌、聚磷酸锌+聚合物、磷酸锌、磷酸锌+酸、磷酸锌+聚合物、纯磷酸盐+聚磷酸盐+聚合物+酸等六种水处理方法, 以阻缓换热器结垢。对换热管进行表面处理可以防止或减缓结垢, 例如, 机加工表面多孔管(E 管 在CaSO 42H 2O 介质中, 5、10、112优化设计优化设计就是在最优化数学理论和现代计算技术的基础上, 运用计算机寻求设计的最优方案, 它是计算机辅助设计(CAD 的重要组成28换热器的传热强化与优化设计进行流体流动和传热的计算机模拟和仿真, 以及人工智能专家系统在换热器优化选型和设计16中的应用, 将得到进一步推广和开

15、拓8、。理想的换热器除满足使用条件外, 尚需具有结构紧凑合理、可靠度高、材料耗量少、传热效率高、流体阻力低、操作弹性大、利于防垢除垢、安装维修方便等特点。但上述特性往往是彼此关联、互相制约的, 例如在传热效率提高的同时往往伴随着功率增加等因素, 因此换热器的优化设计问题越来越受到科技人员的关注, 利用计算机进行换热器的优化设计已经走上实用化阶段, 并已产生了较大的经济效益和社会效益, 例如Lacunza M 等人提出的优化传热和经济性的BA SIC 计算机程序, 南京化工大学李永生等人编制的换热器优化设计计16算程序15、。83结语从70年代开始, 各国均十分重视传热强化技术的开发和应用研究,

16、 并获得了丰硕的成果,遍及无相变传热和有相变传热各领域的各种新的强化技术, 高效传热元件层出不穷, 换热器的计算机优化设计已进入实用阶段。为节约能源, 降低产品成本, 应在继续加强传热强化研究的同时, 大力推广应用各种新型高效传热技术, 进一步开拓和推广换热器的优化设计与选型。参考文献1张石铭主编. 化工容器及设备. 湖北:湖北科技出版社,1984.2卿定彬. 工业炉用热交换装置. 北京:冶金工业出版社,1984. 3林宗虎. 强化传热及其工程应用. 北京:机械工业出版社, 1987.4传热学应用手册. 马重芳等译. 北京:科学技术出版社,1992.5余德渊. 石油化工设备, 1995, 24

17、(1 6钱伯章. 化工机械, 1996, 23(3 7罗运禄等. 化肥工业, 1996, 23(2 8钱伯章. 化工机械, 1996, 23(29俞秀民, 吴金香. 湘潭大学自然科学学报, 1990, 12(3 10HE AT TRANSFER E NGINEERING, 110(4 11朱冬生等. 石油化工设备, 1996, 25(112间工富士雄. 化学洗净N 技术. 工学图书株式会社13俞秀民, 吴金香. 压力容器, 1995, 12(1 14贺运初. 石油化工设备, 1995, 24(1 15李永生等. 石油化工设备, 1995, 24(1 16丁颖, 李永生. 压力容器, 1996,

18、 13(1因为换热器的可变量与选择量较多且又彼此关联, 设计考虑的侧重点不同时, 寻优方法亦各不相同, 如有以冷却侧的长度比和雷诺数之比为判据者; 有根据不连续最大原理使经营费用、传热面积最小和冷却液最佳流量为判据者; 有从经济角度出发, 以纯经济效率最大或设备寿命周期费用最小为目标函数, 以此寻求最佳换热面积, 并进一步将确定冷热流体进出口温度作为优化判据者; 有以最大传热系数和最小热阻为判据者。在强化传热时, 必须综合考虑换热器的传热效率、流体阻力、结构、制造、安装、维修、可靠性、安全性、经济性、环保性、成套性、灵活性等诸因素, 为此, 一些研究者从模拟数学角度, 用模拟线性加权变换对换热器性能进行综合评价, 用模糊聚类进行换热器设计方案优选, 或者用模糊识别方法定量地考查传热强化的合理性。随着计算机