哈雷钎焊板式换热器
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内压缩空分流程中主换热器的设计方法

点击:2252 日期:[ 2014-04-26 21:57:36 ]
                        内压缩空分流程中主换热器的设计方法                                 牛玉振     (开封空分集团有限公司空分设计研究院换热室,河南开封公园路28号 475002)     摘要:介绍内压缩空分流程中主换热器的设计及方法,特别是针对超临界流体在板翅式换热器的设计。并结合板翅式换热器程序软件对多股流介质在设备中的传热及阻力进行分析,优化设计了设备结构。     关键词:超临界流体;传热计算;气流分配;结构设计     中图分类号:TB657·5     文献标识码:B     文章编号:1007-7804(2010)02-0009-05     主换热器是内压缩空分流程中一个重要的换热设备,是多股流换热器。压力不同的空气就有三种,高压空气及产品气多属超临界态流体,这给设计带来了很大的困难。超临界流体是温度及压力均处于临界以上的流体。超临界流体由于液体与气体分界消失,即使提高压力也不液化的非凝聚性气体。超临界流体的物性具有液体性质与气体性质,它基本上仍是一种气态,但又不同于气体,是一种稠密的气态。其密度比一般气体要大两个数量级,与液体相近。它的粘度比液体小,但扩散速度比液体快,所以有较好的流动性和传递性能。它的介电常数随压力而急剧变化。超临界流体具有许多独特的性质,如粘度小,密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度变化十分敏感;粘度和扩散系数接近气体,而密度和溶剂化能力接近液体。纯净物质要根据温度和压力的不同,呈现出液体、气体、固体等状态变化,如果提高温度和压力,来观察状态的变化,那么会发现,如果达到特定的温度、压力会出现液体与气体界面消失的现象,该点被称为临界点,在临界点附近,会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。内压缩空分流程的空气及产品气在主换热器中是超临界流体,而超临界流体的板翅式换热器原来主要是国外进口,国外主换热器的价格为国内设计制造的5倍。市场的需求及空分技术的发展迫使技术人员必须去开发这种主换热器。主换热器采用板翅式换热器,其结构紧凑、轻巧,我国上世纪50年代开始在空分设备中应用板翅式换热器。由于人们对这种传热面的传热机理及设计数据缺乏认识,再加上结构与工艺方面也存在着一些问题,在设计和制造中都经历了艰难的过程。而板翅式换热器的制造工艺各国制造厂商作为专利而相互保密。所以中国的板翅式换热器制造行业是经历了许多艰难曲析,解决了一个又一个工艺问题才达到今天这样的水平。     板翅式换热器具有如下特点: 1.传热效率高:由于翅片对流体的扰动,使边界层不断破裂,因此具有较大的换热系数;同时由于板翅式换热器金属的高导热性以及小的当量直径,所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率; 2.紧凑:由于板翅式换热器具有扩展的二次表面,使得板翅式换热器的比表面积可达1000~2500 m2/m3; 3.轻巧:由于紧凑且由于是铝合金制造,所以显得轻巧; 4.适应性大:板翅式换热器可以适应于气—气、气—液、液—液间各种不同流体的换热,以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应逆流、错流、多股流等不同的换热情况。通过单元间串联、并联、串并联的组合来满足不同的换热需要,工业上可以定型成批生产、降低成本、扩大互换性。5.板翅式换热器制造工艺复杂,要求严格。6.容易堵塞、不耐腐蚀、清洗检修困难。     1 板翅式换热器的设计步骤     选择一种合适的翅片型式与参数,确定通道排列,用对数平均温差或传热有效度—传热单元数法最终确定所设计的板翅式热交换器的传热系数和传热面积,并核算其压降应不超过允许压降。具体设计步骤可归纳如下:     1.据工作条件确定热交换器中的流动型式,如逆流、错流或混合流等;     2.选定翅片型式及其几何参数;     3.选定一个单元体翅片有效宽度,计算一排通道的截面积、每排通道的换热面积等;     4.根据定性温度、压力查取流体物性参数值;     5.根据流体热物性和流体阻力等选定流速,然后初步确定通道数。或者反过来也可初步确定通道数再确定流速;     6.计算Re、Pr,查得传热因子j和摩擦系数f,再计算各换热流体换热系数h;     7.计算翅片效率和翅片表面总效率;     8.计算传热系数;     9.确定对数平均温差,或在比热变化很大时用积分平均温差;     10.计算传热面积;     11.确定板翅式单元体的理论长度和实际长度;     12.进行压力校核计算,如超过允许值,则重新假定流速,重复步骤5~9再计算设计。下面是为一用户设计的内压缩10000空分装置的主换热器参数,并结合它来说明主换热器的设计方法。                 板翅式换热器的设计软件采用MUSE程序完成。从表1中看出高压空气是超流界流体,程序中无超临界物性参数,需要从外部输入。由超临界流体的属性,参考空分工艺计算给出的各点物性,对换热软件的物性数据重新给出,并进行适当的修正。采集现场运行参数说明对其的修正是可靠的。内压缩流程中主换热器的设计难点是超临界态的空气及产品气与其它介质的换热及通道排布,这主要是超临界流体压力高,线速度小,使得板翅式换热器不均匀性更为严重。对不同的通道分布用程序进行多方案模拟,发现不同的介质组合在同一截面产生很大的温度梯度,也就是热不平衡,即超临界态的高压空气放出的热量不能被返流的产品气带走。如果不能合理地进行换热器的通道分布,再大的换热面积也不能满足工艺对主换热器的要求。热流空气分为三股,低压空气先进入主换热器与返流气体换热,冷却到接近液化温度进入下塔进行分离。另一股超临界空气经主换热器冷却后节流进入下塔。膨胀空气进入主换热器被冷却,而后经膨胀机膨胀后进入下塔。由于热流有三种,压力差异大,更应充分考虑它们的通道分配。                    通道分配、排列是多股流板翅式换热器设计的关键,并对换热器的性能产生重大的影响。通道分配、通道排列受整个换热器传热、传质工况的制约,同时又必须在换热器热力计算中首先考虑。这种相互矛盾的要求给设计带来了一定的困难,在以前的设计中带有一定的随意性、盲目性,设计前没有明确的原则,设计后也不分析通道分配、排列合理性。设计不正确的换热器同一截面的隔板温度具有很大的偏差,存在大的过量热负荷,大量的热量内耗,使得换热器就是有很大的后备系数,也无法达到设计指标。新开发的主换热器都用计算程序进行通道排列分析。基本的通道排列原则是基于物流的热负荷沿着它的层均匀分布的假设。一个好的层排列所产生的ZIG-ZAG是在零周围均匀震荡,一个差的层排列的ZIG-ZAG将严重偏离零点,因为局部热负荷或冷负荷过载。在MUSE中可看到四个评估沿着换热器长度四个不同区域的ZIG-ZAG。图1是不同截面的热负荷图。     板翅式换热器的表面传热系数通常通过传热因子(j)、斯坦顿数(St)、普朗特数(Pr)与雷诺数(Re)的关系式表达:     j=St·Pr2/3=f(Re)     St =a /(gfcp)     Pr = cpμ/λ     Pr = cpμ/λ     Re =gfde/μ     式中,gf为介质的质量流速, kg / (m2·s);a为表面传热系数, W / (m2·K);cp为定压比热, J(kg·K);μ为动力粘度, N·s/m2;λ为导热系数, W / (m·K);de为当量直径, m。板翅式换热器板束内的摩擦损失是阻力损失的主要组成部分,在工程计算中主要是考虑这部分损失。以下式表示:     Δp=2ζLgf2/(deρ)     式中,Δp为沿程阻力损失, Pa;ζ为摩擦系数;为板束长度, m;ρ为介质密度, kg/m3;传热因子J与Re的关系,摩擦因子ζ与Re的关系是实际翅片通过实验得出的数据拟合而成的,不同厂家同规格的翅片由于冲制质量的不同是不一样的。     2 气流均匀分配问题     内压缩流程的主换热器的截面大,应考虑流体的分配不均。而接管直径、封头规格都对气流是否能尽可能的均匀分配造成不同的影响。所以在导流片的设计、接管的布置方面都应考虑流体的均匀分配,特别是两相流流体。如流体不能均匀地分配到该介质的所有通道,这种流体的换热将大大降低。采取的办法通常有:如对低压流速采用一个封头多个接管进的布置,见图2;或采用在封头内加分配导叶的方法进行气流的均匀分配,见图3。                                             对两相流的气流分配通常采用两种方法:一是对两相流流体采用先进入分离器,气液分离后再分别进入换热器的不同部位,然后再在换热器内的封头体混合。二是在封头内采用变截面分配,如图4。                        板翅式换热器的同层气流分配也应给以充分的考虑,特别是对大型板翅式换热器,除了层与层的整个截面的均分,还应设计合适的导流角,一般导流角应大于10°。对于压力高的流体还可采用不同位置进入的方法,以保证同一层内的流体均匀,达到好的传热。对于低流速的两相流还采用图5的分配结构。                        高压主换热器必须对传热、阻力、气流均布等因素进行综合协调,达到合理的结构设计,这样就能高效换热,更好地发挥换热设备每一部件的功能。经设计计算,这套空分的主换热器采用四台并联,主换热器单元尺寸: 6000 mm×750 mm×1132mm。     翅片的选择是设计工作的一个重要工作。对高压翅片以往是选择打孔型翅片,这主要是制造工艺的限制,现在大冲力的冲床已开发成功,小节距、厚翅片的锯齿型翅片已能制造,由于锯齿型翅片对气流的强有力的扰动,使流体的边界层不断破裂,换热能力大大增加。提高了整体刚度,也提高了钎焊的可靠性。在这组换热器的设计中高低压翅片均采用锯齿型翅片。     图6是这台主换热器的传热曲线及阻力曲线,从它们的曲线图可明显看出沿换热器长度方向的温度变化、阻力状况及各介质的温差、压差范围。     从这套空分装置运行情况来看,主换热器各状态点的数据都在设计范围之内,证明上述设计方案是合理的。随着设计与制造水平的不断进步,高压板翅式换热器的研发,这种换热设备将在更多行业中发挥作用。 参考文献: [1]张祉佑,石秉三·制冷与低温技术[M]·北京:机械出版社, 1981· [2]尾花英朗·热交换器设计手册[M]·1996· [3]化学工业部第四设计院·深冷手册:下册[M]·北京:化学工业出版社, 1979· 作者简介:牛玉振,男, 56岁。自1982年来长期从事换热设备的设计工作,现任开封空分集团有限公司空分设计研究院换热室主任。
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