管殼式換熱器串聯(lián)的Aspen EDR優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏春華，任占勝，周婷婷

（浙江巨化裝備工程集團(tuán)有限公司，浙江 衢州324004）

換熱器廣泛使用于化工、制藥、食品、輕工和航天等工業(yè)部門(mén)[1]。尤其在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%～20%[2]。管殼式換熱器是化工行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的換熱器類(lèi)型，其適用的操作范圍和壓力范圍較大，且制造成本低、清洗方便、處理量大[2]。

Aspen exchanger design and rating （Aspen EDR）是一款傳熱計(jì)算軟件，可以在工藝流程模擬軟件比如Aspen Plus的計(jì)算之后，直接集成轉(zhuǎn)入換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算并校核，極大程度地降低了人工輸入數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率，并節(jié)省大量的人工計(jì)算時(shí)間，提高了結(jié)果可信度和設(shè)計(jì)效率[2-3]。

在管殼式換熱器設(shè)計(jì)中，由于溫度交叉（即冷流側(cè)出口溫度高于熱流側(cè)出口溫度）引起的逆向傳熱對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有極大的影響，不但會(huì)造成換熱面積過(guò)大，甚至無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求[4]。換熱器串聯(lián)使用可以有效地解決溫度交叉的設(shè)計(jì)工況。以筆者工程參與設(shè)計(jì)換熱器出發(fā)，借助Aspen EDR軟件，對(duì)溫度交叉情況下串聯(lián)換熱器的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提出了一種較為便捷的計(jì)算方法。

1 換熱器中的溫度交叉

對(duì)于無(wú)相變換熱器，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，溫度交叉是指冷流側(cè)出口溫度高于熱流側(cè)出口溫度，即t2＞T2，如圖1所示。

圖1 換熱器中的溫度交叉Fig 1 Temperature cross of heat exchanger

對(duì)于純逆流的單管程換熱器來(lái)說(shuō)，圖1(a)的設(shè)計(jì)在工藝上是允許的。在實(shí)際工況中，很大部分的換熱器采用多管程設(shè)計(jì)，目的是提高管內(nèi)流動(dòng)速度，達(dá)到降低熱阻、減輕結(jié)垢程度的效果，利用傳熱和減小換熱面積[2]。在多管程設(shè)計(jì)條件下，在某個(gè)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)冷流體溫度高于熱流體溫度的現(xiàn)象，如圖1(b)所示，這種惡性溫度交叉會(huì)使冷側(cè)流體的熱量反向地傳給熱側(cè)地流體，傳熱效果惡化，換熱器內(nèi)部發(fā)生無(wú)效的換熱面積[5]。

工藝設(shè)計(jì)中解決溫度交叉的方法就是設(shè)計(jì)多殼程換熱器。實(shí)現(xiàn)多殼程的方法一般有2 種，1 種是添加殼程分程縱向隔板，但制造相對(duì)困難，且易于泄露[6]；另1 種就是采用單殼程換熱器串聯(lián)，制造簡(jiǎn)單，安裝、維修方便。

2 串聯(lián)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 計(jì)算輸入

打開(kāi)Aspen EDR，進(jìn)入信息輸入頁(yè)面，將管殼式換熱器中冷熱流體的相關(guān)條件，輸入對(duì)應(yīng)界面進(jìn)行內(nèi)容完善。

2.1.1 工藝條件

設(shè)計(jì)的換熱器作用是用凝結(jié)水預(yù)熱冷側(cè)制冷劑1,1,1,3,3-五氟丙烷（R245fa），無(wú)相變過(guò)程，其工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)Tab 1 Design parameters of heat exchanger

2.1.2 物性數(shù)據(jù)

凝結(jié)水的物性數(shù)據(jù)可以使用Aspen EDR 等計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中直接獲取。工質(zhì)側(cè)的物性數(shù)據(jù)一般因?yàn)閷?shí)際物料的復(fù)雜性，通過(guò)文獻(xiàn)檢索、資料查詢(xún)或者項(xiàng)目工藝包自帶直接在計(jì)算軟件中輸入。本例中的制冷劑物性數(shù)據(jù)，通過(guò)Aspen Plus模擬換熱器的相關(guān)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Aspen EDR，簡(jiǎn)單但不失準(zhǔn)確性，對(duì)缺失工藝包物性數(shù)據(jù)的前提下，其結(jié)果有很大的參考價(jià)值。

2.1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

管徑的選擇主要考慮流體介質(zhì)黏度、工作壓力以及壓降的要求，一般情況下真空度越大，管子規(guī)格選擇大一些。本例題參數(shù)選擇φ19 mm×2 mm規(guī)格，對(duì)應(yīng)中心距25 mm，管子排列方式選用正三角形排列。換熱器的管箱殼體型式選用BEM，水平放置。

2.2 換熱器模型

首先使用Aspen Plus模擬換熱器，進(jìn)行物料能量計(jì)算，軟件中有關(guān)參數(shù)的規(guī)定如表2所示。

表2 Aspen Plus模型參數(shù)Tab 2 Aspen Plus model parameters of heat exchanger

物料、能量衡算的目的是為了獲得簡(jiǎn)潔計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)，為管殼程介質(zhì)提供相對(duì)準(zhǔn)確的物性參數(shù)。最后，將流程模擬的換熱器導(dǎo)入至Aspen EDR中，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.3 設(shè)計(jì)模式運(yùn)行

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

首先選擇design模式，根據(jù)流體空間優(yōu)先順序限定工質(zhì)走殼程[2]。

軟件中工藝參數(shù)側(cè)的進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)由Aspen Plus導(dǎo)入自動(dòng)生成，并輸入工藝要求的管殼側(cè)的允許壓降和熱絕緣系數(shù)，如表3所示。

表3 工藝參數(shù)Tab 3 Process parameters of heat exchanger

換熱器的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)按規(guī)定設(shè)置，如表4所示。管子選擇30°排列方式，單弓型折流板。其他選項(xiàng)在設(shè)計(jì)模式下按默認(rèn)設(shè)置。

表4 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置Tab 4 Structure parameter Settings of heat exchanger

2.3.2 參數(shù)運(yùn)行

Aspen EDR設(shè)計(jì)模式的運(yùn)行給了殼體直徑與管長(zhǎng)、串并聯(lián)臺(tái)數(shù)等不同的組合結(jié)果，并選擇了較為合適的一種結(jié)構(gòu)組合，給出運(yùn)行的具體結(jié)果，如表5所示。

表5 換熱器設(shè)計(jì)基本信息Tab 5 Basic information list of the designed heat exchanger

2.4 Aspen EDR校核模式的優(yōu)化

從工藝角度出發(fā)，換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)要綜合考慮流速、壓降、流股分率，最大化實(shí)現(xiàn)傳熱效率；從制造成本出發(fā)，設(shè)計(jì)的換熱器應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)最合適成本的目標(biāo)。

2.4.1 基本參數(shù)優(yōu)化

將軟件默認(rèn)的設(shè)計(jì)結(jié)果傳遞到校核模式，在校核模式下對(duì)換熱器的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸做進(jìn)一步的優(yōu)化。具體優(yōu)化的參數(shù)如表6所示，殼體內(nèi)徑圓整至450 mm，厚度暫選定12 mm；換熱管長(zhǎng)輸入4 000 mm，雙管程；布管根數(shù)程序自行運(yùn)算。

表6 結(jié)構(gòu)參數(shù)圓整Tab 6 Data correction for structure parameter of heat exchanger

2.4.2 折流板間距和圓缺率

殼側(cè)的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，影響因素多方面，尤其折流板的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)換熱器的設(shè)計(jì)影響很大。在評(píng)價(jià)傳熱效率辦法中，以殼側(cè)流路為主要分析對(duì)象，通過(guò)調(diào)整折流板與殼體間隙，折流板管孔與管子間隙等辦法實(shí)現(xiàn)A、B、C、D、E 5 個(gè)流股分率能滿(mǎn)足合理經(jīng)驗(yàn)量[7]。因此，首先以GB/T 151－2014 規(guī)定的對(duì)折流板管孔與換熱管間隙的大小以及折流板與殼體間隙做統(tǒng)一化規(guī)定：以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小參數(shù)輸入折流板管孔與管子的間隙0.3 mm，流板與殼內(nèi)壁間隙2 mm[8]。

折流板間距影響到殼程的流動(dòng)方向和流速，從而影響到傳熱效率和壓降[2]。其與殼徑有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，一般在殼徑的0.3～0.6，最小不小于1/5，最大為殼徑。單弓型折流板缺口高度可為直徑的10%～45%。評(píng)價(jià)折流板間距和圓缺率2 個(gè)指標(biāo)重要的條件是殼程流體窗口流速和錯(cuò)流流速[7]。在Aspen EDR運(yùn)行結(jié)果中，可以通過(guò)計(jì)算錯(cuò)流流速與窗口流速的比，0.8～1.2是弓形折流板經(jīng)驗(yàn)合適范圍，最佳比為1，表示流動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)壓力降到熱傳遞的最大轉(zhuǎn)化，最大程度提高了傳熱系數(shù)。

綜上分析，折流板間距和圓缺率的調(diào)整將從以下步驟進(jìn)行對(duì)換熱器工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化。首先，選擇并固定無(wú)相變換熱器推薦的折流板圓缺率25%，調(diào)整折流板間距，比較各流股分率、流速、傳熱系數(shù)、壓降等參數(shù)。接著，固定優(yōu)化的折流板間距，調(diào)整圓缺率，比較各流股分率、流速、傳熱系數(shù)、壓降等參數(shù)。如表7和表8所示，分別是不同折流板間距和不同折流板圓缺率的相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表7 折流板圓缺率25%下不同折流板間距的計(jì)算結(jié)果Tab7 The calculation results of different baffle spacing

表8 板間距220 mm下不同圓缺率的計(jì)算結(jié)果Tab 8 The calculation results of different baffle cut

由表7可知，同等結(jié)構(gòu)面積條件下，總傳熱系數(shù)隨著折流板間距的變大而減少，面積余量均在要求范圍內(nèi)；折流板間距180～220 mm 設(shè)計(jì)結(jié)果中，殼側(cè)壓降在要求的80 kPa 內(nèi)；結(jié)合折流板經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化量為0.3～0.6倍殼徑，以及錯(cuò)流流速與窗口流速比接近1 的經(jīng)驗(yàn)量，確定優(yōu)化折流板間距為220 mm。

接著保持折流板間距220 mm 不變，對(duì)改變折流板圓缺率做一個(gè)對(duì)比和優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知，同等結(jié)構(gòu)面積和折流板間距條件下，總傳熱系數(shù)和面積余量隨著圓缺率的變大而減少，管殼側(cè)壓降均在要求范圍內(nèi)；根據(jù)錯(cuò)流流速與窗口流速比接近1的經(jīng)驗(yàn)量，確定折流板優(yōu)化折流板圓缺率為25%。

2.5 結(jié)果分析

管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程一般要對(duì)流速、壓降和振動(dòng)等進(jìn)行核實(shí)，并注意軟件中給出的警告信息。

溫度交叉工況下串聯(lián)換熱器的設(shè)計(jì)遵循各個(gè)換熱器面積相同、結(jié)構(gòu)相同和總傳熱系數(shù)相同的原則。Aspen EDR的設(shè)計(jì)報(bào)告給出的是，工質(zhì)進(jìn)出口工況下的各換熱器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。各個(gè)換熱器的重要工藝結(jié)果，比如流速可以以報(bào)告中的結(jié)果作為參考。

報(bào)告結(jié)果顯示，本例題需要2 臺(tái)同樣管殼式換熱器串聯(lián)使用，總換熱面積108.7 m2；各換熱器殼、程側(cè)最高流速分別為0.81、1.59 m/s 左右，在工業(yè)生產(chǎn)積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)；總降壓均＜80 kPa，滿(mǎn)足客戶(hù)要求；總傳熱系數(shù)869.7 W/(m2·K)，在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)；無(wú)振動(dòng)和各管口的速度壓頭問(wèn)題。

3 計(jì)算結(jié)果的理論驗(yàn)證

根據(jù)Aspen EDR的運(yùn)行結(jié)果，2臺(tái)串聯(lián)換熱器各進(jìn)出口的溫度狀態(tài)如圖2所示。換熱器的主要工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表9所示。

圖2 換熱器串聯(lián)的進(jìn)出口溫度示意圖Fig 2 Import and export temperature diagram of the heat exchange series

表9 主要工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab 9 The main technological and structural parameters of heat exchangers

在無(wú)相變管殼式換熱器設(shè)計(jì)中，對(duì)其串聯(lián)設(shè)計(jì)的理論研究以及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算已經(jīng)比較成熟。計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確與否，通過(guò)串聯(lián)換熱器應(yīng)有的規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證[6]。

驗(yàn)證方法1。根據(jù)換熱器傳熱效率的定義[8]：

式中，ΦT和Φm分別為實(shí)際和最大可能熱流量，qm,c和qm,h分別為冷流體和熱流體的質(zhì)量流量，cp,c和cp,h分別為冷流體和熱流體的比熱容。qmcp表示熱容流率。(qmcp)m表示熱容流率較小者，本例中，系統(tǒng)的熱容流率較小者為冷流體，(qmcp)m的具體計(jì)算選擇qm,ccp,c，因此選擇式（1）作為總傳熱效率的計(jì)算公式。

系統(tǒng)總傳熱效率：

同理，換熱器I傳熱效率：

換熱器II的傳熱效率：

E1≈E2，符合串聯(lián)換熱器的設(shè)計(jì)原理。

驗(yàn)證方法2。對(duì)整體逆流串聯(lián)換熱器組的總傳熱效率計(jì)算。計(jì)算式為：

式中，n為串聯(lián)的臺(tái)數(shù)（本例為2），Ea為串聯(lián)換熱器單臺(tái)傳熱效率，R為熱容流量比（(T1-T2)/(t2-t1)）。

將計(jì)算出的Ea和R分別帶入式（4）中，得到E=0.892，與式（3）計(jì)算得到的總傳熱效率一致，符合串聯(lián)換熱器的設(shè)計(jì)原理。

4 結(jié) 論

換熱器串聯(lián)一般用在溫度交叉的設(shè)計(jì)條件下，用串聯(lián)的方法代替多殼程，一方面可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)多管程的工藝設(shè)計(jì)，另一方面制造、安裝、維修方便。

通過(guò)Aspen EDR 的計(jì)算軟件設(shè)計(jì)換熱器，可以直接與Aspen Plus聯(lián)用，將其的物性數(shù)據(jù)庫(kù)直接導(dǎo)入，簡(jiǎn)單又不失準(zhǔn)確性。

換熱器的設(shè)計(jì)，需要不斷調(diào)整各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡可能使換熱器性能充分發(fā)揮。

多臺(tái)串聯(lián)的換熱器，結(jié)構(gòu)完全相同，操作彈性一致，能實(shí)現(xiàn)各個(gè)換熱器零溫度交叉。