管壳式换热器
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污垢的形成及其对壳管式换热器设计的影响点击：2432 日期：[ 2014-04-26 22:00:44 ] |
| 污垢的形成及其对壳管式换热器设计的影响 吕振海 谷波 (上海交通大学) 摘要：在壳管式换热器设计中,污垢系数通常作为一个固定值参与计算。但是,实际的污垢系数及污垢 形成速度与流体的温度和速度有关。本文根据国内外学者的研究成果,简单地分析污垢的形成与流体的温 度和速度的关系,介绍一种新颖的换热器设计方法———“包迹图”法,并用该方法分析污垢对壳管式换热器 设计的影响,希望能够为壳管式换热器优化设计提供参考。 关键词：污垢;设计;换热器;壳管式 壳管式换热器在大中型空调系统(特别是冷水系统)中有着非常广泛的应用,在当今能源日益紧缺的局面下,如何提高空调机组的效率对国民经济的发展和环境保护有着极其重要的意义。而壳管式换热器是影响空调机组效率的关键部件之 一,因此如何优化设计壳管式换热器对提高空调机组效率非常关键。 要提高壳管式换热器的性能,首先应该知道阻碍换热器传热的主要因素有哪些。以壳管式冷凝器设计为例,介绍壳管式换热器设计的一般过程。设计的输入参数有换热器负荷、管内流体的进出口温度和压降,然后假设换热管个数,利用热负荷平衡和最大压降的限制,经过反复计算得出满足条件的换热管个数和换热管长度。在传热计算中,一般都会增加一个固定的污垢系数,相对于管壁热阻,污垢所产生的热阻要大得多,一般要为这个热阻增加至少15%以上的换热面积,可见污 垢是影响换热器性能的一个主要因素。那么污垢 的形成和哪些因素有关系呢?针对这一问题,笔者首先利用一些必要的公式进行深入分析,然后再简单介绍“包迹图”模型,并利用这个模型分析污垢对换热器设计的影响,最后得出结论。 1 污垢形成的影响因素 1.1 爱伯特·潘切尔方程 在具体分析之前,首先引入一个由英国人爱伯特·潘切尔首先提出的污垢形成的方程(称之为爱伯特·潘切尔方程[1]),具体形式如下: 虽然式(1)中的系数对于不同流体对应着不同的数值,但从式中可以很容易地发现污垢形成的速度与流体速度的平方成反比、与液膜温度成正比,只是对于不同流体这种变化的速度会有所不同而已。 2004年,徐冬生等[2]对横纹轧管进行污垢性能试验。试验结果表明,随着流体速度的增加,积垢速度明显地减小。 1.2 极限流速 从图1可以看出液膜温度和流体流速对污垢形成的影响。图中T1>T2>T3,曲线表示在对应的流体流速和液膜温度下,在一定时间内所形成的污垢热阻。图1也说明在设计中冷凝器的污垢系数要比蒸发器的污垢系数大的原因。在某一特定工况下,当流体流速达到一定数值时,污垢所产生的热阻趋于零。这意味着对应于这个流体流速 在一定时间内换热器管内可以保持接近清洁的状 态,这对换热器的设计是非常有好处的。 由上述分析可知,在一定工况下,换热器热端 总会有极限流速,当流体流速大于这个流速时,就可以在一定时间内保持换热器内污垢系数接近零。令式(1)中的dr/dt等于零,可以得到极限流速(m/s)方程: 1.3 极限流速在换热器设计中的应用 以一个两流程换热器来说明如何应用极限流 速来消除管内流体产生的污垢。作出给定工况下 此换热器的包迹图(见图2),图中极限速度1这条曲线表示在第一流程末端污垢刚刚形成的曲线。 同样,极限速度2表示在第二流程末端污垢刚刚形成的曲线。这也就是说当设计高于这条曲线时, 在一定的时间内污垢就会产生,因为此时的流体速度低于所要求的极限流速。从图2可以看出:对 于第一流程,可以找到理想的设计点;而对于第二 流程,由于有效的设计必须同时落在压降曲线和 传热曲线的上方,而满足极限流速的设计却落在 有效设计范围的下方,因此无法找到避免污垢产生的有效设计。解决这个问题的一个方法,就是调节2个流程的换热管个数的比例,图2中2个流程的换热管个数是相同的。试着使2个流程换热 管个数的比例为0.9,即第二流程的管数与第一流程的管数的比例为0.9。根据图2的工况重新计算,作出一组曲线,如图3所示。图3中2个极限速度的曲线接近了很多,而压降和传热曲线并没有太大变化。通过调整2个流程换热管个数的比 例,极限速度1这条曲线下移,但依然落在最小有 效设计点之上,同时极限速度2这条曲线上移到有效设计范围内。因此,可以找到既落在2条极限速 度曲线之下同时又落在有效设计范围之内的避免污垢形成的设计点。改变2个流程的管子数比例, 其实是降低了一个流程的压降,同时增加了另外一个流程的压降,这样提高了第二流程末端的流体速度,避免了污垢的形成。 当然,有时调节流程换热管个数的比例并不能奏效,此时就要考虑其他方法。但是,在允许的设计范围内,尽可能地提高末端的流速对污垢的 形成有一定抑制作用,这样可以有效地减少所需的换热面积。 2 “包迹图”模型简介 为了在给定负荷下设计出一个换热器,并保 证此换热器的压降不能大于客户定义的压降,在 此可利用“包迹图”模型[3]得到一个有效的设计区 域,在此区域内的换热器设计都能满足给定的设 计条件。在介绍这个方法之前,先简单介绍用来计算传热和压降的几个常用公式。 热负荷为: 式中:np为管侧流程数;L是管子长度(m);K为局 部压损系数(此处取1.8);摩擦系数f按式(3) 计算。 在给定负荷下,假设换热管个数就可以计算 出管内流体速度。然后根据式(8)计算出定义压 降下的换热管长度,按照定义的压降值绘出换热 管个数与换热管长度的关系曲线(见图4),称之为 压降曲线。所有位于这条曲线上方的设计点都满 足压降要求。同样,按照式(5)~(7)进行传热计 算,也可以描绘出一条换热管个数与换热管长度 的关系曲线,称之为传热曲线。所有位于这条曲 线上方的设计点都满足换热面积要求。换热器设 计应同时满足传热和压降这2个要求,因此有效的 设计点应该同时落在这2条曲线的上方,这个区域 称之为“有效设计区域”,也就是图4阴影部分。最优的换热器设计总是落在图4中的点A附近,因 为这时换热管个数最少,换热器价格相对便宜,将 这2条曲线的交点称为最优设计点。 3 污垢对换热器设计的影响 上节的计算中忽略了污垢对设计产生的影 响,增加一个恒定的污垢系数重新计算,结果如图 5所示。 与图4比较,传热设计曲线很明显地向右方偏 移了,也就是说有效设计区域和最佳设计点都向右边偏移了。比较图4和图5的最佳设计点,增加了污垢影响后的换热管个数和长度都比没有考虑污垢的设计增大了。因为增加换热管个数后,流 体速度降低,此时压降下降,为了达到相同的压降,就需要更长的管子。如果提高此时的设计压降,则可以减少换热管个数,但需要更长的换热管。在图5中,虚线表示的就是增加压降后的压降曲线。可以看出在相同的长度下对应这条曲线的换热管个数明显较增加压降前的少。可见增加设计压降是减小换热器尺寸的一个有效方法。但是,在设计中也不能一味地追求增加压降,这样会增加用户成本。 在壳管式换热器中,随着污垢在传热表面上的积聚,流道表面粗糙度增加,导致摩擦系数增大,并且流体流通截面积减小,在相同体积流量下,流体速度增加,压降增大,因此在设计时必须考虑这种影响。在计算污垢对流体流动压降的影 响时,首先计算清洁状况下的流动压降,确定污垢 层厚度,然后在保持流体流量不变的情况下,计算 计及污垢影响后的流体流速,最后计算污垢影响下的流体流动压降[5]。杨善让等[6]较为详细地论述了换热器压降受污垢的影响。 对于“包迹图”模型上的传热曲线,当不断地增加换热管长度同时减少换热管个数时,管内流体的速度不停地变化。从前面的分析可知,在一 定条件下,当出口流体速度达到一定数值时,在一段时间内,管内就不会形成污垢。图6就是根据这一现象描绘出来的。 由图6可知,有效的设计区域被分为2部分中间的台阶就是由于在此点以下管内流体速度高 于污垢形成的速度从而避免了污垢的产生而形成 的,此时换热管个数减少,长度缩短。 通过上面利用“包迹图”模型的2个简单例子, 一方面熟悉了这种非常直观有效的分析方法,另 一方面能更加深入地了解污垢对换热器设计的影 响,以及降低污垢对换热器设计影响的可能性。 总之,在换热器设计中考虑污垢系数后,传热热阻增大,流体速度降低,管侧换热系数急剧下降。因此可以提高设计流速以降低或者阻止污垢的形成,当污垢无法避免时,还可以适当提高设计压降的上限来减小换热器的尺寸。 4 结论 在了解了影响污垢形成的因素,并通过利用 “包迹图”模型进行更加深入分析后,可以得出如下结论: 1)污垢对换热器设计的负面影响有2个方 面:一方面增加了传热热阻;另一方面降低了管内 的传热系数,因为更多的换热管个数降低了管内 流体速度。 2)虽然在实际运行中,污垢的形成还与更多 的因素(例如当地的水质等)有关,但适当地增大 流体的出口速度对污垢的形成会产生明显的抑制 作用,在设计阶段就应该注意这个问题。 3)尽量利用客户允许的压降上限,这样可以 减小换热器尺寸,同时也能抑制污垢的形成。 保证一个长期运行的机组在其维修阶段的性 能,比仅仅考虑其初期运行性能更能节约运行成 本。而利用笔者提到的这些设计思想可以有效地 降低机组长期运营成本。 参考文献 [1] W Ebert, C B Panchal. Analysis of Exxon crude-oil, slip-stream coking data∥Engineering Foundation Con- ference on Fouling Mitigation of Heat Exchangers. California,1995:18-23. [2] 朱冬生,曾力丁,钱颂文.轧槽管的污垢特性及其防 垢性能实验研究.流体机械,2007,35(4):9-11. [3] D Butterworth. Visualize your design of shell-and- tube heat exchangers. Chemical Technology Europe, 1996:20-24. [4] 杨世铭.传热学.2版.北京:高等教育出版社,1987: 200-204. [5] 靳遵龙,董其伍,刘敏珊.污垢对换热器壳程压降的 影响分析.压力容器,2007,24(8):25-27. [6] 杨善让,徐志明,孙灵芳.换热设备污垢与对策.2 版.北京:科学出版社,2004. |
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