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预测管壳式换热器温度分布的模型分析点击：2070 日期：[ 2014-04-26 21:08:27 ] |
| 预测管壳式换热器温度分布的模型分析 雷俊杰，周帼彦，朱冬生 (华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室，上海200237) 摘要:基于微分法，提出了一种简单但精确的单相管壳式换热器温度分布计算模型。根据折流板数Nb和管程数n，将换热器划分成(Nb+1)个大单元，(Nb+1)n个子单元，管程流体顺次流过子单元，壳程流体平行流过大单元。以HTRI方法为基准，分别采用本模型和Cell模型对U型管式和浮头式换热器温度分布情况进行计算，通过与HTRI的计算结果比较，验证了该计算模型的可行性和准确性。结果表明:相同操作条件下，该文模型和Cell模型计算BEU型换热器管程温度分布最大误差分别为0．19%和1．74%;计算AES型换热器管程最大误差分别为0．35%和6．44%，壳程最大误差分别为－0．44%和1．69%。模型适用于光管构成的单相管壳式换热器。 关键词:微分法;温度分布;管壳式换热器;单相 中图分类号:TK 172文献标识码:A文章编号:1005-9954(2011)11-0030-06 传统的换热器工艺设计是基于整台换热器定性温度下的物性进行的［1］，该方法只需已知1或2个温度点的物性值，较为简单。但是，实际生产中的换热器，温度随换热器长度方向变化，流体物性也在变化，传统设计方法的精确度便会大大降低，所设计换热器的面积可能会偏大或偏小很多，造成换热器效率低下或达不到热负荷要求。因此，将换热器分成若干段［2-3］，准确计算换热器温度分布，在各段内随不同温度采用相应的物性值计算显得尤为重要。 随着物性数据库Aspen，Pro/Ⅱ等的发展，使得考虑局部温度分布的精确计算更加方便。国外软件HTRI及HTFS+都能较精确计算换热器温度分布，但其计算方法都未公开。迄今公开可查的文献［4-5］有Gaddis和Schlünder提出的一种既可计算温度分布又可优化换热器效率ε的Cell模型。Mikhailov和Ozisik［6］在Cell模型的基础上提出用有限单元法计算温度分布;之后Ravikum等［7-9］研究和改进了上述有限单元模型，相比Cell模型其计算值与理论分析结果的误差更小。河村祐治等［10］用微分法解换热器对数平均温度差时中间过程得到高温流体的温度分布，但是作者没有进一步阐述与论证。谈冲［11］在前者的基础上提出图解积分法，在求得换热面积的同时也得到温度分布，但是该方法直接用于U型管换热器时，壳程温度分布与HTRI结果存在较大误差，且不便于分段计算。 本文利用微分法［10，12］概念，将微元放大，提出一种既简便又满足工业精度要求的换热器温度分布计算模型，并分别以1-2型BEU换热器和AES型换热器为案例进行分析，通过与Cell模型及HTRI计算结果对比，验证了该模型的可行性与准确性。 1·模型描述 以1-2型换热器为例(壳程热流体)，如图1所示。若换热器折流板数为Nb，管程数为n，则以折流板为结构基础，将换热器划分成(Nb+1)个大单元，再将每个大单元分成n个子单元，最后整台换热器共被分为(Nb+1)n个子单元。单壳程换热器，管程流体依次流过每个子单元，壳程流体依次流过每个大单元;双壳程换热器，管程壳程流体依次流过每个子单元。假设:①总传热系数U、质量流速qm及2种流体的比定压热沿整个换热器是常量;②壳程流体在横截面上均匀混合，温度相等;③折流板的数目足够多［13-14］，子单元内的平均温度差为二流体靠近前端管箱一侧的温度差。 已知管程进出口温度和管箱侧的壳程温度，则换热器设计型计算和校核型计算时的所有工艺温度都可以得到。对于模拟计算则要假设未知工艺温度，进行迭代计算。 以第x个大单元为研究对象，在上方1个子单元内，壳程流体速率方程: 2·验证分析 2．1工程案例1 以HTRI 5．x版软件教程中的1-2型BEU换热器设计为例，分别采用本文模型、Cell模型和HTRI计算其温度分布并进行比较。其工艺条件和部分结构参数如表1所示，换热器流型如图2所示。 表2为3种模型计算的沿换热器管长管程温度分布对比。 换热器壳程出口段间隔为368 mm，第1参考点取该段的中点183．99 mm处，所有中间段的参考点取该段中点，末端参考点取U型处的有效换热长度。对比结果显示，本模型结果与HTRI最大偏差是0．19%，在1 867 mm处;Cell模型结果与HTRI最大的偏差是1．74%，在867．98 mm处。后者的误差看似不大，但是从图3看，Cell模型与HTRI结果在绝对数值上偏差明显，而本模型与HTRI几乎一致。 本例中冷热流体的温度差很大(平均温度差达161℃)，弯头处的特殊结构使得Cell模型计算壳程温度分布时与HTRI结果相比误差甚至超过100%，Cell模型已经不适于U型管式换热器壳侧温度分布的设计计算。表3为由本文模型与HTRI计算的1-2型BEU换热器壳程温度分布情况。 由表3可见，本文模型计算结果与HTRI结果非常接近，最大偏差为－4．83%。造成壳程偏差较大的原因是壳程本身结构复杂和壳程进出口流体温差较大。 由本例可以看出，当冷热流体温差很大，换热管为U型管时，Cell模型计算的温度分布与HTRI结果误差很大。本模型仍可以得到与HTRI结果较好的一致性。 2．2工程案例2 采用Serth［15］提供的Example 5．1，工艺参数不变，见表4，调整部分结构参数，计算1台AES型换热器的管壳程温度分布。设置壳体内径0．4 m，换热管长度6 m，管程为2个管程，换热器流型如图4所示。 在校核模式下，通过热量衡算可以计算出缺失的管程流体出口温度。换热器进出口折流板间距相等，以换热器折流板为结构基础，参考点取各个折流板间隔的中点。 由于管程共有56个数据点，表5只列出第2管程的温度分布数据。本模型计算管程温度分布最大误差为0．35%，在第2管程5 359．97 mm处，Cell模型最大误差为6．44%，在第1管程2 559．97 mm处。图5直观地表明本模型比Cell模型更接近HTRI计算结果。 表6为3种方法计算壳程温度分布结果对比，本模型与HTRI结果的最大误差－0．44%发生在5 359．97 mm点，Cell模型计算值最大误差1．69%在229．98 mm处。但图6表明壳程整体上3种方法的计算结果几乎一致。 由本例可以看出，2种模型都可以计算直管式换热器温度分布，但本模型更接近于HTRI的计算结果。虽然在工程允许范围内2种模型计算结果都可接受，但Cell模型需要讨论流型安排、管程和壳程数以及2种流体的混合程度等［5］，对应不同的条件组合采用相应的计算公式，计算步骤过于复杂。 3·结论 (1)对于1-2型换热器，根据实际的流型布置图，列式(3)，(4)和(6)3个方程，编制简单的EXCEL计算程序即可得到换热器内温度分布。多程换热器则要对二程连接处温度作假设迭代计算。如2-2型换热器假设第1，2壳程与1，2管程相接处温度已知;1-4型换热器假设2，3管程相接处温度已知。 (2)直管式换热器壳程流体只在与管束接触的部位换热，而U型换热器壳程流体在尾部与管束不接触的空间也有对流换热。Cell模型和图解积分法仅适用于前者那样管壳程流体温度分布沿管束等长的情形。本模型可用于直管式和U型管式换热器，计算结果更接近HTRI。 (3)应用本模型计算U型管式换热器壳程温度分布时值得注意的是，迭代计算收敛至tⅠ≈tⅡ，对应换热器的有效长度，而不是最远处的封头内侧点。 如例1迭代至1 867．04 mm处tⅠ≤tⅡ停止计算，这时令最远点1 966．1 mm的值为工艺参数的端点温度25℃，倒数第2点1 867．04 mm的温度采用1次或2次插值计算。 (4)本模型仅用于无相变、光管管束组成的管壳式换热器。 参考文献：略 |
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