縱向翅片管換熱器與光管換熱器的熱力設(shè)計(jì)及性能對(duì)比

張穎 李婷玉 馬超(廊坊泛華石化設(shè)備有限公司， 河北 廊坊 065000)

縱向翅片管換熱器與光管換熱器的熱力設(shè)計(jì)及性能對(duì)比

張穎 李婷玉 馬超(廊坊泛華石化設(shè)備有限公司， 河北 廊坊 065000)

隨著能源問(wèn)題的日益突出以及能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,換熱器的應(yīng)用日益廣泛,近年來(lái)?yè)Q熱器在節(jié)能、傳熱以及降壓方面的效果顯著，本文在介紹了換熱器的種類(lèi)和發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了縱向翅片管換熱器和光管換熱器的熱力設(shè)計(jì)和性能，為以后在這兩種換熱器方面的深入研究提供參考和借鑒

翅片管換熱器；光管換熱器；熱力設(shè)計(jì)；性能

0 引言

換熱設(shè)備在石油化工、能源冶金以及建筑等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，我國(guó)目前正在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，節(jié)能已成為一個(gè)約束性指標(biāo)，高效換熱技術(shù)必將成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的核心技術(shù)，因此開(kāi)發(fā)適應(yīng)于不同工況下的高效換熱設(shè)備已成為當(dāng)前換熱技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1-2]。光管換熱器，是目前應(yīng)用最廣泛的換熱器之一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造材料來(lái)源廣、適應(yīng)性強(qiáng)，在高溫高壓和大型裝置中普遍采用。翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)與一般的光管換熱器相差不大，只是用翅片管代替了光管作為傳熱面，傳熱加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更加緊湊[3-4]。

1 換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀及種類(lèi)

換熱器又稱為熱交換器，它可將低溫的媒介對(duì)高溫介質(zhì)進(jìn)行預(yù)冷或者降溫，將高溫的媒介對(duì)低溫媒介進(jìn)行加熱，使得媒介內(nèi)的流體溫度達(dá)到工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)的熱量交換設(shè)備。國(guó)外最早出現(xiàn)的換熱器是板式換熱器，隨后出現(xiàn)了螺旋板式換熱器和板翅式換熱器，21世紀(jì)以后，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，換熱器產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平也突飛猛進(jìn)。我國(guó)換熱器方面的研究起步較晚，1963年我國(guó)自制研制的第一臺(tái)管殼式換熱器問(wèn)世，之后研制了第一臺(tái)板式換熱器和第一臺(tái)螺旋板式換熱器。20世紀(jì)80年代之后，換熱器的研究引起了國(guó)內(nèi)專家學(xué)者的高度關(guān)注，產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速。

2 光管換熱器的熱力設(shè)計(jì)和性能

光管換熱器又稱管殼式換熱器或者列管式換熱器，是一種最典型的間壁式換熱器，光管換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等四部分組成，殼體多呈圓形，光束為平行管束，管束兩端由管板固定。光管換熱器在進(jìn)行換熱時(shí)，有兩種流體，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管束內(nèi)流動(dòng)，從封頭另一端流出，此為管程；另-種流體由殼體的連接管進(jìn)入，從殼體上的另一端流出。

光管換熱器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算，如式(1)所示，

式中:α為換熱系數(shù)； de為當(dāng)量直徑； Re0為雷諾數(shù)； λ1為流體的熱導(dǎo)率； Pr為普朗特?cái)?shù)； μ為流體粘度； μw為水的粘度。傳熱管的壁溫采用式(2)計(jì)算，

式中: tw為壁溫；tm為液體平均溫度； Tm為氣體平均溫度；αc為管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； αn為殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

3 縱向翅片管換熱器的熱力設(shè)計(jì)和性能

翅片管換熱器是一種帶翅的管式換熱器,由一根或者多根翅片管組成，在能源動(dòng)力、石油化工、冷藏等行業(yè)應(yīng)用廣泛。翅片管是翅片管換熱器中的最重要的換熱元件，它在原有的管子外表面或者內(nèi)表面上加了翅片，擴(kuò)展了原有的表面，使得管內(nèi)外的流體可以通過(guò)管壁和翅片進(jìn)行傳熱，擴(kuò)大了傳熱面積，大大改善了換熱效果。翅片換熱器上的翅片的種類(lèi)很多，可根據(jù)不同的用途選擇不同型號(hào)的翅片，根據(jù)翅片在管上的排列方式可將翅片管換熱器分為橫向翅片管換熱器和縱向翅片管換熱器。其中縱向翅片管換熱器上的翅片是沿管子軸向分布的，翅片呈鰭行，能夠平息氣流漩渦，具有很好的流動(dòng)特性，流動(dòng)阻力也低于其他的擴(kuò)展表面換熱器，能夠避免橫向翅片管換熱器積灰和阻力大的缺點(diǎn)。

縱向翅片管換熱器的傳熱量計(jì)算見(jiàn)式(3)，

式中：K0和Kf分別為縱向翅片管換熱器光管外表面積的傳熱系數(shù)以及翅片管外表面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)；F0和Ff分別為縱向翅片管換熱器光管外表面積以及翅片管外表面積； Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差。

以單層翅片管為例，假設(shè)壁面溫度和換熱系數(shù)不變的條件下，利用傳熱學(xué)的基本原理，推導(dǎo)出的總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)式(4)和式(5)。

當(dāng)以光管外表面為基準(zhǔn)時(shí)，總傳熱系數(shù)為，

當(dāng)以翅片管外表面為基準(zhǔn)時(shí)，總傳熱系數(shù)為，

式中: αi和α0分別為以光管內(nèi)表面積及翅片管外表面積為基準(zhǔn)的管內(nèi)側(cè)及外側(cè)換熱系數(shù)； Fi為縱向翅片管換熱器光管內(nèi)表面積； λ為管的導(dǎo)熱系數(shù)； β為翅片比； η為翅片壁面總效率； ηf為翅片效率； Lf為翅片管的長(zhǎng)度； rsf為光管外表面積為基準(zhǔn)的管外側(cè)側(cè)垢阻； rsi為光管內(nèi)表面積為基準(zhǔn)的管內(nèi)側(cè)垢阻； d0為光管的外徑。

縱向翅片管換熱器常在高溫高壓、易腐蝕等惡劣環(huán)境下使用，翅片管作為換熱元件應(yīng)具有很好的防腐、耐磨、低接觸、高穩(wěn)定性以及防積灰能力。

4 結(jié)語(yǔ)

縱向翅片管換熱器與光管換熱器相比，傳熱系數(shù)較高，更加緊湊，占地面積較小，結(jié)垢傾向遠(yuǎn)低于光管換熱器，在選擇的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)用途和使用的環(huán)境選擇經(jīng)濟(jì)高效的換熱器類(lèi)型。

[1]董旭宇,閻依強(qiáng),李想,等.石油化工行業(yè)中換熱器的種類(lèi)及用途原理[J].硅谷，2013，(16):40-42.

[2]方向紅.列管式換熱器與板式換熱器的比較[J].安徽化工，2002，(4)：43-44.

[3]湯國(guó)芳.縱向翅片扁管換熱器的性能研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].東華大學(xué)，2009.

[4]吳恩.緊湊式換熱器的綜合性能設(shè)計(jì)與優(yōu)選[D].南京工業(yè)大學(xué)，2006.