前言
換熱器在石油、化工、醫藥、冶金、電力、動力、製冷、熱泵、食品等行業中佔有舉足輕重的地位。隨著我國工業的不斷發展,對能源的利用、開發和節約的要求不斷提高,工業上的節能節水成為企業發展大計的一個重要組成部分,因此對換熱器的要求也日益加強。如何增強換熱器的換熱性能,提高傳熱係數是換熱器改革的主要研究方向。目前廣泛應用的換熱器主要有:列管式、螺旋板式、板式和肋片(外翅)式等幾種。在這些換熱設備中,熱量由高溫流體傳給低溫流體過程中的主要阻力(熱阻)來自於以下幾個方面:兩側介質與換熱管內、外壁之間的對流換熱熱阻、管壁本身的熱阻以及兩側介質的污垢熱阻。一般換熱器都採用金屬薄壁作為換熱面,由於管壁本身的熱阻非常小,強化換熱的潛力不大。這樣強化換熱器的換熱性能主要就是要強化兩側介質與換熱管內、外壁之間的對流換熱係數。如果不考慮介質污垢係數,忽略管壁熱阻,這時傳熱係數可以寫成下列形式:
Ｋ=1/(1/α1+1/α2)=(α1·α2)/(α1+α2)
從上式可以看出Ｋ值必定小於α1和α2的值,而且它比二者中較小的一個還要小。所以在增強傳熱的時候,必須增大α中較小的一項(即減小最大熱阻項)才能有效地增大傳熱係數。在通常使用的工況中,一些換熱介質之間的換熱係數相差較大,特別是氣(汽)—液換熱器中,一般氣(汽)體的對流換熱係數在10-70Ｗ/(ｍ2·℃),而液體(以水為例)一般可以達到4800—8000Ｗ/(ｍ2·℃),二者相差上百倍,在常規換熱器內(如列管式、螺旋板式等)換熱壁兩側面積基本相等,這樣就造成換熱面積相等,但兩側熱交換介質換熱係數不同從而導致熱交換不平衡,使總傳熱係數低,熱交換效果不佳,造成能源的浪費。隨著現代工業的發展,換熱器逐步向著高溫、高壓、大容量的方向發展,這就給換熱器的發展提出了新的挑戰。讓高溫、高壓介質走管程和管內流動換熱係數低下的矛盾日益突出,這就迫切要求能有一種強化管內換熱的新型換熱器出現。
1 內展翅片換熱管及換熱器結構
內展翅片管換熱器採用內展翅片換熱管取代普通殼管式換熱器中的換熱光管,管板在布置結構上與光管換熱器相同。其中內展翅片換熱管主要由三部分構成:(1)管殼:管殼採用的是內徑為30的普通換熱管,常用規格有32、34、35,依據承受壓力的不同而選取不同規格的換熱管。(2)管芯:由於換熱翅片向換熱管中心集中,同時由於高肋翅片肋根效應的影響,在換熱管的中心處形成換熱死區、管芯的作用即為消除換熱死區的影響並對換熱翅片起到支撐作用,其規格為13。(3)翅片:翅化係數為7.4,由32個翅片(沿管殼軸向延伸,為一整體,厚0.15—0.2ｍｍ)與管殼內表面及芯管外表面形成32個獨立的小的介質通道。通過液壓機械裝配成的內展翅片換熱管其翅片存在一定的彈性變形,使翅片與管殼、管芯總是緊密接觸。
2 應用
在煉油、化工、、製冷等許多行業中存在大量熱交換兩側間介質的對流換熱係數相差很大的情況,較小的流體通過走換熱管內翅片側,以強化其換熱性能達到提高換熱器總的傳熱係數的目的。翅片存在一定的彈性變形,使翅片與管殼、管芯總是緊密接觸。公司空氣站壓縮機后冷器原有配置列管式空氣冷卻器,規格1600×4800,空氣冷卻處理量420ｍ3
分。通過使用內展翅片換熱器進行改造,結果表明,該產品對氣一液兩種介質進行熱交換效果特別突出,真正達到換熱器的專業化配置。特點是設備體積小、減少佔地面積、熱效率高、節能節水。現有投入運行的內展翅片空氣冷卻器與原列管換熱器的主要參數對比:
3 經濟性能分析
設備改造的經濟性主要分為設備的製造成本和設備的運行成本,在此以(1)的設備改造為例進行分析。應用內展翅片空氣冷卻器經濟效益:(1)設備投資:45萬元(空氣處理量420ｍ3/ｍｉｎ)(2)年減少耗水量:64ｔ/ｈ×24ｈ×360ｄ=552,960ｔ年節水量(綜合補水量):552,960ｔ×3.5%=19,354ｔ年節約金額:19,354ｔ×2.7元/ｔ=52,255元(3)年節電金額:552,960ｔ×0.5度/ｔ×0.51元/度=141,005元(4)總計年節約資金為:141,005元+52,255元=193,260元
4 結論———氣液熱交換專用設備
①換熱效率人大提高,節能、節水效果顯著由於在換熱管內裝有波紋型內展翅片,使表面傳熱係數較低的一側換熱面積增大(管內翅化比高達7.4),增加了總的傳熱係數,提高了傳熱效率,解決了因兩種流體換熱係數不同而產生的熱交換不平衡這一基本問題。
②能夠承受高溫高壓,阻力降較低在內展翅片換熱器中,翅片在換熱係數較低的一側,即讓冷卻水走殼程,高溫高壓的氣(汽)體走管程,讓換熱管來承受高溫高壓,可以降低換熱器壓力容器的管理等級和製造成本,同時波紋型翅片縱向置入管內,氣體流動阻力小。
③換熱器體積小、佔地面積小內展翅片換熱器通過在換熱管內加翅片增加換熱面積,在增強換熱的同時減少光管換熱面積,使得整台設備體積大大減少,一般相對於常規換熱器體積要小50%—75%,佔地面積一般為常規換熱器的25%-50%。
④投資省,回報期短內展翅片換熱器體積小,設備製造所需要的材料少,儘管技術含量較高、工藝和製造複雜,設備總體價格相對於同等處理量、相同材質的常規換熱器要低。由於內翅片換熱效率高,且節能、節水、節電效果顯著,設備投資回報短。
⑤降低用戶的維護成本我們知道水垢的形成與水的流動情況有很大的關係,一般來講,冷卻水走殼程時,由於水的不斷折流擾動,使得水垢很難形成,相對於冷卻水走管程,冷卻水走殼程時水垢的形成周期要慢2—5個周期,加上讓高壓氣體走管程,由於管程介質的高溫高壓,流速較大,污垢係數較小,這樣就使得換熱器的清洗周期大大加長,使用戶的維護成本降低。
