管壳式换热器壳程强化传热评价方法分析

管壳式换热器壳程强化传热评价方法分析

高晓东 冯霄

(西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049)

摘 要:分析比较了现有的强化传热评价方法与评价指标。通过分析管壳式换热器壳程传热与阻力性能特点,指出管壳式换热器壳程的强化传热研究,在采用能量系数 Ｋ/Ｎ来评价强化传热时,应更着眼于提高其传热性能。通过推导分析,说明采用α/ΔＰ1/3作为评价指标,能够准确评价壳程强化传热的性能。

关键词:管壳式换热器;强化传热;壳程;评价方法

1强化传热评价方法

要确定一项强化传热新技术是否先进,必须对其进行评价。但在实际的使用中,出现了多种评价强化传热的方法与评价指标。最早对换热器进行评价都采用单一参 数,例如总传热系数Ｋ和压降ΔＰ,这两个参数均与流体的流速有关,故一般工程上采用在相同流速下比较总传热系数和压降。有人主张采用换热量Ｑ与消耗的泵 (或风机)的功率Ｎ的比值,即能量系数作为评价指标,类似的也广泛采用Ｋ/ΔＰ以及无因次化的Ｎｕ/ζ来进行评价,为了更准确地反映强化传热的性能,进一 步也可以使用Ｋ/ΔＰ1/3及Ｎｕ/ζ1/3作为指标[1～2]。随着传热技术的发展,换热器日益向体积小、重量轻的方向发展,同时在提高效率的前提下, 要求操作费用降低。文献[3～4]在综合分析的基础上,提出了一套较为完整的性能评价数据,即维持输送功率、传热面积、传热负荷3因素中的两因素不变,比 较第3因素的大小以评定传热性能的好坏。

这些评价都只是分析换热器的能量在数量上转换、传递、利用和损失的情况,即以热力学第一定律为基础。为了更准确地反映热量交换过程能量在质量上的损失,在 理论研究中也提出了许多基于热力学第二定律的评价方法,即分析换热器中火用的转换、传递、利用和损失的情况。文献[5]提出了以熵产单元数Ｎｓ作为评价指 标,文献[6]等在熵产分析的基础上提出强化传热性能因数来进行评价。有些学者还提出采用火用分析法[7～8]对换热器进行评价,采用各种火用效率来作为 评价指标,它与熵产分析法类似,能从能量的质量上来讨论流动与传热的关系。而进行技术推广应用时,还应考虑采用强化换热技术后管子等价格的增加和运行费用 的变化,运用经济核算的方法进行评价,即热经济学的评价方法。

而在实际的使用过程中,进行强化传热新技术、新方法的研究更多采用简单易用的单一参数Ｋ,ΔＰ以及单一参数组合而成的Ｋ/ΔＰ,Ｋ/ΔＰ1/3来进行评价 [9～11]。而基于热力学第二定律的方法在设计过程中可用来判断换热器的性能,作为进一步改善的依据,但在工程上缺乏实用性。

2管壳式换热器壳程强化传热评价分析

工业生产中广泛使用各种类型的换热器来实现热量的合理利用,就使用的场合和数量来讲,目前为止管壳式换热器仍占据主要地位。采用各种强化传热方法设计制造 高性能的换热器是经济地开发和利用能源的最重要手段,管壳式换热器的强化传热研究经过多年发展,目前已经取得了许多广泛使用的成果。这些强化传热的技术与 方法一般可以分成管程强化与壳程强化两个方面。目前壳程传热强化的途径有3种:一是改变壳程挡板或管支撑物的形式,二是改变管子外形或在管外加翅片,另外 还可以通过改变壳程流程布置来强化传热。要对这些途径进行评价,应该使用更合适的管壳式换热器壳程强化传热的评价指标。

管壳式换热器壳程进行强化传热研究时广泛采用的仍是能量系数Ｋ/Ｎ作为评价指标,在此Ｋ为总传热系数,而Ｎ为流体输送机械的功率,可以看作壳程流体流过整个壳程管路的阻力。

管壳式换热器的总传热系数Ｋ可以表示成下式

忽略管壁热阻及污垢热阻,简化为

& nbsp;

在无相变换热的情况下,一般壳程对流换热系数α1小于管程对流换热系数α2,所以在壳程进行强化传热的改进,可以使总传热系数Ｋ有较大提高。

管壳式换热器的阻力应包括整个换热系统的阻力,即Ｎ=ΔＰ1+ΔＰ2+ΔＰ3+ΔＰ4,其中ΔＰ1为换热器接口管路的阻力,一般换热器的进出口接口管路都 会包括较多管件:阀门、弯头、流量测量装置等,因此这一部分会产生较大阻力;ΔＰ2为换热器进口处的阻力,即可以简化为一个突然扩大过程所产生的阻 力;ΔＰ3为流体流过壳程管束的阻力;ΔＰ4相应的为换热器出口的阻力,可以简化为一次突然缩小过程的阻力。一般来说换热器壳程管束部分的阻力ΔＰ3在总 阻力中只占据较小的份额[12]。

由此可见对于管壳式换热器壳程强化传热的研究而言,壳程的改进仅仅影响壳程对流传热系数α1与流体流过管束的阻力ΔＰ3,但壳程对流传热系数对总传热系数 的影响显然大于壳程管束阻力对壳程总阻力的影响,因此壳程对流传热系数与管束阻力相同幅度增大时都会使能量系数Ｋ/Ｎ增大。同时管束阻力不变时壳程对流传 热系数的提高对能量系数的影响要大于α1不变而降低管束阻力对能量系数所带来的影响。因此在管壳式换热器的壳程进行强化传热应更着眼于提高其对流传热系 数。

3评价指标分析与推导

为了更准确地描述壳程强化传热对壳程性能的影响,使用壳程对流传热系数与流体流过管束的阻力之比α1/ΔＰ3作为评价指标。对于壳程最常使用的弓形折流结构进行如下分析。

由于折流结构的影响,壳程的流体流动非常复杂,出现了多种不同的计算方法。无相变时壳程对流传热系数常采用Ｄｏｎｏｈｕｅ法或者Ｋｅｒｎ法来计算[13],Ｋｅｒｎ法计算公式为

式中:ｕ0为按壳程流通截面积Ａ0计算的流速,ｍ/ｓ;而Ａ0=ｌｂ(Ｄ-ｎｅｄ0)。

由上式可见,在其他条件不变时,壳程阻力与折流板间距的2次方成正比;而α1/ΔＰ3与折流板间距的-1 45次方成正比。因此如果采用这一指标来进行评 价,随着折流板间距的减小,其性能持续增大,而实际使用中显然折流板间距不能过小,可见这一指标即使用于弓形折流结构下的无相变换热也并不合理。

根据上述分析,要避免折流板间距改变的影响,应该采用α1/ΔＰ31/3作为评价指标,这样随着壳程流体流速的改变,其综合性能并不会改变。而壳程强化传 热研究一般以弓形折流结构下的光滑管束作为比较的参照,因此也可以采用这一指标来对其综合性能进行评价。

4结论

(1)通过分析管壳式换热器壳程传热与阻力性能特点,说明在采用能量系数Ｋ/Ｎ来评价强化传热时,应更着眼于提高其换热性能。

(2)通过分析比较弓形折流结构无相变换热时壳程对流传热系数与壳程管束阻力的计算,表明采用α1/ΔＰ31/3作为评价指标,能更准确反应强化传热的性能。