纵向翅片管换热器与光管换热器的热力设计及性能对比

2015-01-10张颖李婷玉马超廊坊泛华石化设备有限公司河北廊坊065000

化工管理 2015年7期

张颖李婷玉马超(廊坊泛华石化设备有限公司，河北廊坊 065000)

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随着能源问题的日益突出以及能源产业的不断发展,换热器的应用日益广泛,近年来换热器在节能、传热以及降压方面的效果显著，本文在介绍了换热器的种类和发展现状的基础上，重点介绍了纵向翅片管换热器和光管换热器的热力设计和性能，为以后在这两种换热器方面的深入研究提供参考和借鉴

翅片管换热器；光管换热器；热力设计；性能

0 引言

换热设备在石油化工、能源冶金以及建筑等各个领域应用广泛，我国目前正在建设创新型国家，节能已成为一个约束性指标，高效换热技术必将成为我国经济和社会发展的核心技术，因此开发适应于不同工况下的高效换热设备已成为当前换热技术的研究热点[1-2]。光管换热器，是目前应用最广泛的换热器之一，结构简单、制造材料来源广、适应性强，在高温高压和大型装置中普遍采用。翅片管换热器的结构与一般的光管换热器相差不大，只是用翅片管代替了光管作为传热面，传热加强，结构更加紧凑[3-4]。

1 换热器的发展现状及种类

换热器又称为热交换器，它可将低温的媒介对高温介质进行预冷或者降温，将高温的媒介对低温媒介进行加热，使得媒介内的流体温度达到工艺设计指标的热量交换设备。国外最早出现的换热器是板式换热器，随后出现了螺旋板式换热器和板翅式换热器，21世纪以后，随着科学技术的进步，换热器产业技术水平也突飞猛进。我国换热器方面的研究起步较晚，1963年我国自制研制的第一台管壳式换热器问世，之后研制了第一台板式换热器和第一台螺旋板式换热器。20世纪80年代之后，换热器的研究引起了国内专家学者的高度关注，产业技术发展迅速。

2 光管换热器的热力设计和性能

光管换热器又称管壳式换热器或者列管式换热器，是一种最典型的间壁式换热器，光管换热器主要有壳体、管束、管板和封头等四部分组成，壳体多呈圆形，光束为平行管束，管束两端由管板固定。光管换热器在进行换热时，有两种流体，一种流体由封头的连结管处进入，在管束内流动，从封头另一端流出，此为管程；另-种流体由壳体的连接管进入，从壳体上的另一端流出。

光管换热器的表面传热系数用克恩法计算，如式(1)所示，

式中:α为换热系数； de为当量直径； Re0为雷诺数； λ1为流体的热导率； Pr为普朗特数； μ为流体粘度； μw为水的粘度。传热管的壁温采用式(2)计算，

式中: tw为壁温；tm为液体平均温度； Tm为气体平均温度；αc为管内表面传热系数； αn为壳程表面传热系数。

3 纵向翅片管换热器的热力设计和性能

翅片管换热器是一种带翅的管式换热器,由一根或者多根翅片管组成，在能源动力、石油化工、冷藏等行业应用广泛。翅片管是翅片管换热器中的最重要的换热元件，它在原有的管子外表面或者内表面上加了翅片，扩展了原有的表面，使得管内外的流体可以通过管壁和翅片进行传热，扩大了传热面积，大大改善了换热效果。翅片换热器上的翅片的种类很多，可根据不同的用途选择不同型号的翅片，根据翅片在管上的排列方式可将翅片管换热器分为横向翅片管换热器和纵向翅片管换热器。其中纵向翅片管换热器上的翅片是沿管子轴向分布的，翅片呈鳍行，能够平息气流漩涡，具有很好的流动特性，流动阻力也低于其他的扩展表面换热器，能够避免横向翅片管换热器积灰和阻力大的缺点。

纵向翅片管换热器的传热量计算见式(3)，

式中：K0和Kf分别为纵向翅片管换热器光管外表面积的传热系数以及翅片管外表面积为基准的换热系数；F0和Ff分别为纵向翅片管换热器光管外表面积以及翅片管外表面积； Δtm为对数平均温差。

以单层翅片管为例，假设壁面温度和换热系数不变的条件下，利用传热学的基本原理，推导出的总传热系数的计算公式见式(4)和式(5)。

当以光管外表面为基准时，总传热系数为，

当以翅片管外表面为基准时，总传热系数为，

式中: αi和α0分别为以光管内表面积及翅片管外表面积为基准的管内侧及外侧换热系数； Fi为纵向翅片管换热器光管内表面积； λ为管的导热系数； β为翅片比； η为翅片壁面总效率； ηf为翅片效率； Lf为翅片管的长度； rsf为光管外表面积为基准的管外侧侧垢阻； rsi为光管内表面积为基准的管内侧垢阻； d0为光管的外径。

纵向翅片管换热器常在高温高压、易腐蚀等恶劣环境下使用，翅片管作为换热元件应具有很好的防腐、耐磨、低接触、高稳定性以及防积灰能力。