圆块孔式石墨换热器总传热系数的模拟计算

张 猛，耿尧辰（中国天辰工程有限公司，天津 300400）

圆块孔式石墨换热器总传热系数的模拟计算

张 猛，耿尧辰
（中国天辰工程有限公司，天津 300400）

介绍了一种利用 HTRI软件中的套管式换热器模型对圆块孔式石墨换热器进行计算的模拟方法，并将模拟结果与厂家计算值进行比较，大部分结果偏差在 10%以内，表明此种计算方法具有较好的工程指导意义。

圆块孔式石墨换热器；总传热系数；HTRI

1 概述

不透性石墨制换热设备具有优良的耐腐蚀性和传热性能，被广泛应用于氯碱行业、磷酸浓缩以及钢铁酸洗等涉及腐蚀性介质传热的工艺过程中。石墨换热器按其结构形式主要分为列管式和圆块孔式两种，其中圆块孔式换热器因其具有密封性能良好、使用压力高以及结构紧凑等优点常被应用于操作条件苛刻或有热冲击及震动的场合。

圆块孔式石墨换热器由若干圆形截面的浸渍石墨块组成，石墨块之间用O型圈密封。 在石墨块上有许多平行于轴线和垂直于轴线的圆孔流道，前者称为纵向流道，后者称为横向流道，其中，横向流道位于各纵向流道的间隔中间。一种介质（一般为工艺介质）沿轴向流道从上往下或从下往上流动；而另一种介质（一般为服务介质）沿横向流道流动，相邻两块换热块横向流动方向相逆。两种介质利用换热块石墨实体进行 间壁式换热[1]。

尽管圆块孔式石墨换热器已得到广泛的应用，其传热计算方法却鲜有报道，通用的换热器计算软件也没有其计算模型。南京工业大学的潘虎自上世纪80年代开始对圆块孔式石墨换热器的传热计算进行研究，并结合实验数据提出了纵向、横向流道侧传热膜系数以及总传热系数的计算公式[2-3]。 然而，此公式仅适用于简单的非相变传热计算，并不能满足工艺设计中多组分冷凝、蒸发等复杂的相变传热计算。

目前，圆块孔式石墨换热器的传热计算被掌握在少数石墨设备制造厂家手中，设计单位和用户无法有效的校核其换热器设计的合理性，因此在换热器的设计和订货过程中处于不利位置。本文介绍了一种利用 HTRI软件对多组分相变传热过程进行计算的方法，并将其应用到中国天辰公司承接项目中圆块孔式石墨换热器的校核计算，大部分计算的总传热系数 K 纵（以纵向孔道表面积为基准）与厂家计算值的偏差小于 10%，提供了一种较可靠的圆块孔式石墨换热器的校核计算方法。

2 总传热系数K纵的计算公式

圆块孔式石墨换热器的传热机理及过程与列管式的相同，都 包括以下 3 个 过程[4]。

（1）热介质将热量传给高温壁面；

（2）热量由高温壁面通过石墨间壁传给低温壁面；

（3）热量由低温壁面传给冷介质。

则K纵应由3部分组成：

式中：K纵—总传热系 数，W/（m2·℃）；

α纵—工艺侧 传热膜系数，W/（m2·℃）；

α横—服务侧 传热膜系数，W/（m2·℃）；

A纵—纵向孔道总面积，m2；

A横—横向孔道总面积，m2；

A均—平均传热表面积，m2，A

k—石墨导热系数，W/（m·℃）；

V′—石墨块钻去孔道后的剩余体积，m3。

考虑工艺侧及服务侧的污垢热阻R纵和R横，总污垢热阻为则

其中，A纵、A横、A均以及b′由石墨块的结构决定，R横和R纵由工艺条件或者工程经验给出，k 根据文献取 100 W/（m·℃）。 根据圆 块孔式石墨换 热 器的结构，可将工艺介质和服务介质分别按照在垂直和水平圆管内作强制对流或发生相变传热来考虑，通过HTRI 软件模拟计算或通过 Dittus－Boelter 关联式等半经验公式来求得α纵和α横。

3 计算举例

以项目中某汽提塔冷凝器为例进行校核计算，换热器的结构性质见表1。

换热器的流股性质见表2。

工艺介质的质量组成见表3。

石墨块的结构参数见图1。

表1 换热器的结构性质

表2 换热器的流股性质

表3 工艺介质的质量组成

图1 石墨块的结构参数

3.1 服务侧传热膜系数α横的计算

此例中服务侧为水的无相变强制对流传热，α横可 由 Dittus－Boelter 关 联 式 ， 即计算得出。

3.2 工艺侧传热膜系数 α纵的计算

此例中工艺侧为多组分蒸汽冷凝的复杂相变传热，利用HTRI软件中的套管式换热器模型（Jacketed Pipe Exchanger）来模拟此传热过程，设定工艺热物流走管内（Hot Pipe），计算结果中的管内传热膜系数（Pipe h）即为所求α纵。 下面简要介绍一下程序中各参数的设置。

在 Input Summary选项中 ， 将 Case Mode 选为Rating。 在 Jacket Geometry 中输入夹套管的参数，其中夹套管内径选为 55 mm （后文会讨论夹套管内径对模拟结果的影响），热流股走管内，安装方向为垂直。 在 Process Conditions 中输入冷热物流的流股性质，热物流的流量为 13.58 kg/h，冷凝水由于温升已确定故不必输入流量。 在 Pipe Geometry 中输入垂直圆管的参数，其中管长 L=0.34×8=2.72 m （忽略各换热块间的间距），壁厚选取换热块的当量壁厚 7mm，管外径 OD=10+7×2=24（mm），管子类型为光滑管。

在 Geometry 选项中 ，仅将 Pipe Material中的管子材质选为石墨， 导热系数设为 100 W/（m·℃），其余选项设为默认值。 设置完成后在 Nozzle Location选项中确认模拟换热器的安装方式及热物流流动方向是否与石墨换热器相同，见图 2。

图2 模拟换热器的安装方式及物流流动方向

在 Process 选项中，定义冷热物流的名称并输入两侧的污垢热阻，根据工程经验水侧及工艺侧的污垢热阻分别设为0.000 396 和 0.000 198 （m2·℃ ）/W。至此，换热器结构性质参数已输入完毕，下面进行流股性质及组成的输入。

在 Hot Fluid Properties 选项中 ， 打开 Property Generator，将 Property package 选为 VMG Thermo，气液相模型选为默认的 Advanced Peng-Robinson。 在Composition选项中，将 Composition Basis 选 为 Mass后按照表 2.3 输入工艺介质的组成及质量分数。 之后 在 Conditions 选 项 中 输 入 压 力 500 kPa 及 温 度 范围 42 ℃~154 ℃，生成流股物性并将结果全部导入。

在 Cold Fluid Properties 选项中，将 Physical Property Input Option 一 项设定为 Component by Component。 在 Components 选项中，选择 Package 为VMG Thermo，在数据库中选择组分为水。

至此所有参数输入完毕，运行模拟。报告中Pipeh 一项即为所求的 α纵，结果为 260.7W/（m2·℃）。

3.3 夹套管内径对 α纵模拟结果的影响

一般认为一侧的传热膜系数只与该侧流体的流动情况有关，因为冷却水流量已确定，所以改变夹套管的内径会改变冷却水的流速进而改变环侧的传热膜系数，但却不会对管内传热膜系数的大小造成影响。为了验证夹套管内径对管内传热膜系数的影响，本文进行了灵敏度分析，结果见图 3。

图3 灵敏度分析结果

由灵敏度分析的结果可以看出，夹套管内径的取值对于环侧传热膜系数影响很大，而对管内传热膜系数基本没有影响。因此，在模拟过程中夹套管内径的取值只需大于圆管外径即可，在本例中将夹套管内径设为 55 mm。

3.4 总传热系数 K纵的计算

考虑污垢热阻时：

不考虑污垢热阻时：

模拟结果与厂商计算值的比较见表4所示。

表4 模拟结果与厂商计算值的比较

所有样本的偏差分析见表5。

表5 样本的偏差分析

由表5可以看出偏差多为负偏差，即模拟的总传热系数K值小于厂家计算值。在设置相关参数进行模拟时， 管长为石墨块的组合高度，HTRI软件将纵向孔道认为是一根连续的圆管进行传热计算。而真实情况是相邻块体之间留有 2~4 mm 的间隙 （组装O型密封圈产生）， 此空间相当于纵向流道中介质再分布的湍流室，可提高纵向孔道的传热膜系数。因此模拟计算值普遍小于厂商计算值，可将模拟计算值乘以合适的系数予以校正。

4 总结

根据圆块孔式石墨换热器的结构， 借助 HTRI软件中套管式换热器的模型，本文提出了一种针对圆块孔式石墨换热器的校核计算方法，可将其应用于圆块孔式石墨换热器校核计算中，改变设计单位和用户在换热器的设计与订货过程中的不利位置，具有较好的工程指导意义。

［1］许志远，等．石墨制化工设备，北京：化学工业出版社，2003.

［2］潘 虎．圆块式石墨换热器传热系数的计算，化工设计通讯，1988，14（2）：60～63.

［3］潘 虎．圆块式石墨换热器的传热系数，石油化工设备，1978，16（11）：18～22.

［4］钱颂文．换热器设计手册，北京：化学工业出版社，2006.

Total heat transfer coefficient simulation calculation of graphite block heat exchanger

ZHANG Meng， GENG Yao-chen
（China Tianchen Engineering Corporation,Tianjin 300400,China）

On the basis of applying double-pipe heat exchanger model from HTRI，a heat-transfer calculation method for graphite block heat exchanger is studied in the paper.Most biases between calculation results and manufacture parameters are less than 10%，indicating the method is applicable to engineering design.

graphite block heat exchanger；total heat transfer coefficient；HTRI

TQ051.5

：B

：1009－1785(2017)02-0030-04

2017-01-27