某立式蛇形翅片管換熱器等效熱力計(jì)算

冉 攀

東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,四川 成都 611731

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)、節(jié)能減排的背景下,國(guó)家愈加重視經(jīng)濟(jì)與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展,積極引導(dǎo)、鼓勵(lì)企業(yè)提高能源利用效率。在此背景下,越來(lái)越多的化工企業(yè)注重余熱能源的回收利用。早期余熱回收利用主要集中于鍋爐煙氣、氨合成氣、變換氣等傳熱性能較好、溫度較高的余熱氣體,而隨著經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)境要求的變化,越來(lái)越多溫度較低、傳熱性能一般的余熱氣體也開始被回收利用。通常,400 ℃以下為低溫余熱[1]。低溫工業(yè)余熱量占工業(yè)余熱總量的15%～23%[2],低溫余熱利用技術(shù)具有很大的市場(chǎng)空間。針對(duì)溫度較低、傳熱性能一般的余熱氣體,常見形式的熱交換器已經(jīng)不能滿足要求。余熱氣體作為熱源,在溫度較低且傳熱性能一般的情況下,會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器所需換熱面積很大,利用常見的換熱器(如U形管式、發(fā)夾式、固定管板式、釜式)實(shí)現(xiàn)余熱回收,難以解決換熱器尺寸太大和安裝場(chǎng)地受限的難題。特別是在氣體處理量很大、對(duì)氣側(cè)壓損有嚴(yán)格要求的情況下,只能選擇數(shù)臺(tái)設(shè)備并聯(lián),會(huì)造成安裝場(chǎng)地過(guò)大、設(shè)備成本過(guò)高。

當(dāng)采用典型的換熱器(如U形管式、發(fā)夾式、固定管板式、釜式)進(jìn)行低溫、大流量余熱回收時(shí),難以解決換熱器尺寸太大、安裝場(chǎng)地受限、設(shè)備成本過(guò)高等難題時(shí),立式蛇形翅片管換熱器應(yīng)運(yùn)而生。采用蛇形管和換熱管外壁焊接翅片的方式增大換熱面積,可以解決低溫余熱氣體傳熱性能不佳、所需換熱面積大的問(wèn)題,并且氣體處理量可以很大,且壓損很小。

某硝酸裝置項(xiàng)目,業(yè)主要求進(jìn)行NOx氣體的余熱回收。該余熱回收項(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：氣體處理量很大但允許壓損很小、熱源溫度很低、介質(zhì)傳熱性能一般。該余熱氣體溫度較低,僅為290 ℃;氣體流量較大,達(dá)到180 t/h;氣體入口壓力僅為315 kPa,意味著壓損必須很小。經(jīng)過(guò)選型研究,決定采用立式蛇形翅片管換熱器。目前,該立式蛇形翅片管換熱器已成功投運(yùn),并且性能完全達(dá)標(biāo)。

利用軟件進(jìn)行該換熱器的性能計(jì)算時(shí),為增強(qiáng)換熱效果選擇“對(duì)流”模型,該模型中換熱管在垂直方向上不在一個(gè)平面上,若按軟件布管進(jìn)行設(shè)計(jì)制造,將導(dǎo)致管系制造難度大、經(jīng)濟(jì)性差、可靠性差。因此,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)軟件布管結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化,將同一管屏的換熱管在縱向方向上置于同一平面。通過(guò)該優(yōu)化,成功解決了制造難度大、經(jīng)濟(jì)性差、可靠性差等問(wèn)題。但同時(shí),由于實(shí)際布管與軟件布管不一致,導(dǎo)致實(shí)際布管的管子根數(shù)為軟件布管根數(shù)的2倍,將嚴(yán)重影響管內(nèi)傳熱系數(shù),從而影響總傳熱系數(shù)。為了評(píng)估管內(nèi)傳熱系數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的影響,針對(duì)布管的不一致進(jìn)行了熱力計(jì)算的等效研究。

1 軟件熱力計(jì)算

參照煙道式省煤器進(jìn)行計(jì)算,換熱管外徑?32 mm,換熱管水平間距90 mm、垂直間距110 mm。受軟件橫向布管排數(shù)限制(最大24排),將管、殼側(cè)流量減半進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)調(diào)整,橫向布管14排,縱向96行。工藝流程方面,該換熱器管側(cè)走水介質(zhì)(冷),殼側(cè)走NOx氣體(熱);介質(zhì)物性方面,水介質(zhì)物性直接從軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)查取,NOx氣體的物性則是軟件利用物料組分進(jìn)行計(jì)算得到,NOx氣體部分參數(shù)見表1。冷水進(jìn)口溫度158 ℃,NOx氣體進(jìn)口溫度290 ℃。最終計(jì)算得到管側(cè)傳熱系數(shù)為12 047 W/(m2·K),殼側(cè)傳熱系數(shù)為49.35 W/(m2·K),總傳熱系數(shù)為36.67 W/(m2·K)。

表1 NOx氣體參數(shù)

如圖1所示,管內(nèi)流體在垂直方向上不在同一平面內(nèi)流動(dòng),即同一管屏的管子在垂直方向上不在一個(gè)平面上,若完全按照軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)際布管和制造,會(huì)存在以下不足。

單位：mm

1)管子彎管半徑約59.4 mm,不能滿足?32 mm外徑不銹鋼彎管不做固溶熱處理的條件,增加制造成本。

2)管屏在垂直方向上不在一個(gè)平面上,制造難度大。

3)同一管屏的管子不在一個(gè)平面上導(dǎo)致吊掛裝置設(shè)計(jì)難度大,可靠性差。

2 實(shí)際布管與介質(zhì)流向

為了改進(jìn)上述提到的3點(diǎn)不足,節(jié)省成本,減小設(shè)計(jì)、制造難度,同時(shí)提高吊掛的可靠性,實(shí)際布管時(shí)將同一管屏的管子在縱向方向上置于同一平面,如圖2所示。

單位：mm

從圖2可以看出,實(shí)際布管時(shí)將同一管屏的管子在垂直方向上置于同一平面,這樣就使得實(shí)際的彎管半徑為110 mm,既滿足了外徑?32 mm不銹鋼彎管不做固溶熱處理的條件,同時(shí)也減小了設(shè)計(jì)、制造難度,提高了吊掛裝置的可靠性,從而保證了換熱器核心部件——管束的安全性。

實(shí)際布管時(shí)將同一管屏的管子在縱向方向上置于同一平面,雖然從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)更合理,管束吊掛的強(qiáng)度更可靠,但必須認(rèn)識(shí)到,實(shí)際布管和軟件布管的差異會(huì)導(dǎo)致傳熱系數(shù)產(chǎn)生變化,因此必須進(jìn)行兩者的熱力計(jì)算等效研究,驗(yàn)證是否可以將軟件計(jì)算結(jié)果直接用于指導(dǎo)換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 等效熱力計(jì)算

實(shí)際布管與軟件布管有差距,將會(huì)影響管內(nèi)、管外傳熱系數(shù)。兩者布管角度和節(jié)距沒有變化,因此對(duì)管外傳熱的影響可以忽略,但是實(shí)際布管根數(shù)為軟件布管根數(shù)的2倍,這將很大程度上影響管內(nèi)流體流速,從而影響管內(nèi)傳熱系數(shù)。為了評(píng)估管內(nèi)流速對(duì)總傳熱系數(shù)的影響,將管內(nèi)流量減半,此時(shí)軟件計(jì)算的管內(nèi)流速和實(shí)際流速相當(dāng)。計(jì)算得到此時(shí)的管內(nèi)傳熱系數(shù)為7 467.2 W/(m2·K),即實(shí)際的管內(nèi)傳熱系數(shù)與7 467.2 W/(m2·K)相當(dāng)。而管外傳熱系數(shù)受到的影響可以忽略,因此管外傳熱系數(shù)與49.35 W/(m2·K)相當(dāng)。傳熱系數(shù)計(jì)算公式如下。

式中：K0為總傳熱系數(shù),W/(m2·K);do為管子外徑,m;αi為管內(nèi)傳熱系數(shù),W/(m2·K);di為管子內(nèi)徑,m;Rsi為管子內(nèi)壁污垢系數(shù),m2·K/W;b為管子壁厚,m;λ為金屬導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);dm為管子平均直徑,m;Rso為管子外壁污垢系數(shù),m2·K/W;αo為管外傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

計(jì)算得到總傳熱系數(shù)K0為36.58 W/(m2·K),與軟件計(jì)算結(jié)果36.67 W/(m2·K)的偏差僅為0.25%,對(duì)于工程運(yùn)用來(lái)說(shuō),可以認(rèn)為二者等效,可以采用圖2所示的實(shí)際布管進(jìn)行施工設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)制造。該換熱器最終的達(dá)標(biāo)運(yùn)行也證實(shí)了這種等效對(duì)于工程運(yùn)用來(lái)說(shuō)是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)下,越來(lái)越多的企業(yè)注重節(jié)能環(huán)保,越來(lái)越多低溫的余熱能源開始被回收。利用典型的換熱器(如U形管式、發(fā)夾式、固定管板式)實(shí)現(xiàn)低溫余熱回收,難以解決換熱器尺寸太大和安裝場(chǎng)地受限的難題。而在設(shè)計(jì)非典型換熱器時(shí),難免會(huì)遇到軟件不能完全模擬的情況,此時(shí)設(shè)計(jì)者可以考慮將軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行等效,對(duì)于工程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),合理的偏差是允許存在的。一般來(lái)說(shuō),低溫余熱氣體用于加熱水工質(zhì),此時(shí),水側(cè)的傳熱系數(shù)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣側(cè)傳熱系數(shù),更改結(jié)構(gòu)引起水側(cè)傳熱系數(shù)變化時(shí),對(duì)總傳熱系數(shù)的影響一般不大。為確保軟件計(jì)算結(jié)果可用于實(shí)際工程設(shè)計(jì),可考慮將軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行等效,只要偏差在可控范圍內(nèi),對(duì)于工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是可以接受的。