换热器壳程流路分析及折流与逆流的换热偏差

第38卷第8期 2010年8月 华南理工大学学报(自然科学版) JournalofSouthChinaUniversityofTechnology (NaturalScienceEdition) V01．38No．8 August2010 文章编号：1000-565X(2010)08．0012．05 换热器壳程流路分析及折流与逆流的换热偏差木 邓先和蒋夫花 (华南理工大学化学与化工学院，广东广州5m640) 摘要：热流体与冷流体的出口温度比a对换热器的有效传热温差有重要影响，不同的 Ot代表不同的换热深度．为探讨管壳式换热器换热深度与长径比的关系，文中采用流路分 析法对换热器壳程折流区域的传热性能进行数学分析，并与纯逆流情况作对比．结果表 明：在深度换热的临界点(0[=1)，折流区域的换热性能远低于逆流换热，应避免折流区域 靠近临界点操作；换热器折流与逆流区域传热温差的偏离量随仅变化，为避免偏移量过 大，应控制折流区域面积占总传热面积的比例；OtRh。之后，冷热流体间才能实现进一步的深度 换热，即Tl2>TH2． (2)在折流换热的条件下，若冷热流体的热容 流率相同，当壳程与管程的独立流路数Ⅳ均各为l 时，由式(9)和(10)可计算得折流换热时尺．的临界 值R岫．。为无限大，即需要K。A为无穷大才能达到深 度换热的临界点．这属于错流全混合的条件下出现 的情况，此时冷热流体的出口温度为 Tea=TL2=(THl+TLl)／2(16) (3)折流换热的条件下，若冷热流体的热容流 率相同，当壳程与管程的独立流路数N>1时，由式 (9)和(10)推算可知出现深度换热(即Tm=T12)所 需要的尺。。．。随Ⅳ的增加而有所降低，其变化范围在 1～∞之间．独立流路数目|J、r越大，需要的R№越 小，咖会越大，但均会趋向于一个常数，且尺№远大 于1(见表1)．这说明为使冷热流体间达到深度换 热，在换热器的折流区域所需要的K。A值远大于在 逆流区域的K。A值．与逆流换热过程的Rk。=1相 比，表l中所示尺，。．。的变化值也代表了折流换热较 逆流所需K。A值的增幅，当K。值不变时，折流换热 过程需要的换热面积比逆流过程大幅增加，至少需 增20％，且西值也小于0．833．从上述分析可知，折 流换热过程基本不能超越深度换热的临界点实现冷 热流体问的深度换热，与逆流换热相比，其传热性能 的下降是非常显著的．这表明，在折流换热区域的冷 热流体换热不宜靠近深度换热的临界点操作，否则 会很不经济． 表1折流区域R。h与咖随Ⅳ的变化情况 Table1 VariationsofRm。and币withNinbafflingflowregion N Rlh．。 西 N RIb．。 咖 5 1．25 0．79l 50 1．20 0．829 10 1．23 0．805 60 1．20 O．83l 20 1．2l 0．819 85 1．2()0．832 30 I．2l 0．824 100 1．20 0．833 40 1．20 0．828 2．2 d>1时的逆流与折流传热温差偏差 换热器的折流区域在冷热流体问的深度换热 (a<1，即深度换热临界点之后)难以实现且不经 济，而非深度换热(Ot>1，在深度换热的临界点以 前)可以实现，但需考察是否经济合理．设在冷热流 体的热容流率相同的条件下，即R，=1，在深度换热 的临界点以前，即T№>Tt2时，设R，取值为0．1～ 0．9，定义s=(71H。一TH：)／(巩。一TI：)，(s与O／值均 可反映换热深度，但s与初始条件r。。和％无关)， 令逆流换热过程的(TH。一‰)／(r。。一Tl：)=占。，折 流换热过程的(n，一T。：)／(T。。一T比)=s：，取壳程 独立流路数N=100(为使R。趋向一常数)，由式 (5)、(6)、(9)、(10)计算可得s．、s：随R。的变化结 果，如表2所示． 表2 R2=1时占l、占2与咖随RI的变化 Table2 Variationsof8I，s2and币withR1whenR2=1 由上述分析．-ft；t看出，当R，>0．9时，西值低于 0．866，这说明传热性能会降低13％以上，要达到与 逆流时相同的传热性能，折流区域折流换热较逆流 万方数据 第8期 邓先和等：换热器壳程流路分析及折流与逆流的换热偏差 15 换热过程需要增加换热面积13％以上，显然是不经 济的．而当R。<0．6时，咖值高于0．900，这意味着折 流比逆流换热过程传热性能的降低小于10％，而折 流区域要实现与逆流区域相同的传热性能需增加的 换热面积小于10％是可以接受的．若条件允许，最 佳状态是R，<0．3，这样折流较逆流换热区域的传 热性能的降低小于5％． 由表2中可以看出，在远离深度换热(oe>>1)的情 况下，或当占<0．3时，s，与占：的偏差很小(小于 1．6％)，这时的咖值可以控制在0．970以上，因此无 论是采用哪种换热过程，其换热性能都十分接近，不 用特别考虑传热温差损失的问题．但对于接近深度 换热临界点的区域，例如s>0．8时，s，与s：的偏差 增大(大于5．4％)，币值会减小到0．870以下，因此 换热器折流区域面积占总传热面积的比例要合理， 否则换热器的传热性能会大幅降低． 对于实际的换热器工况，在折流区域的Ⅳ条流 路中，由于壳程每一条流路的压降相同，而路径最长 的流体阻力系数最大，流体流速最小，因此会造成换 热器折流区域K。的分布不均，这使得折流区域的 传热温差损失比上述的分析结果更大．因此，文中认 为R．<0．3是换热器设计的适宜条件． 3换热器的整体优化设计途径 从上述换热器折流区域的换热性能分析可以看 出，控制R，的大小对保证折流区域的换热性能不比 逆流换热区域下降过多至关重要．对于一项给定的 冷热流体换热深度较深(rm／瓦：《1)的换热任务，当 R，=l时，根据式(5)和(6)可计算得到所需要的 Rh，显然R㈦必然是一个远大于1的数值(见表3)． 表3 Tm／T。随R。。．。的变化 Table3 Variationof7’H2／7’L2withRk。 RIa。 7'咆／L2 Rl。．。．Tea／Tt2 1．O 1．000 3．5 0．316 1．5，0．685 4．O 0．280 2．O 0．470 4．5 0．253 2．5 0．427 5．0 0．23l 3．0 0．362 控制在0．3以下，即换热器中折流区域面积占总换 热面积的比例小于0．6／Rh．例如，按式(5)和(6) 计算出R，。。=3．0，则可取换热器折流区域的面积比 例占总换热面积的比例为0．6／3=0．2，在此比例下， 含折流区域的换热器只需增加不大于5％的面积就 可与纯逆流换热的换热器具有相同的传热性能． 目前对于长径比较大的换热器，折流区域的面 积比例较小，上述面积比例安排较易满足，换热器的 整体换热过程较贴近纯逆流换热的过程；但是，对于 长径比较小的换热器，折流区域的面积比例急剧增 大，上述面积比例要求很难满足．例如，换热器的长 径比为2时，换热器壳程只能容纳一个进口折流区 和一个出口折流区，而不能再容纳有轴流段的逆流 区了，这时换热器折流区域的面积占总面积的比例 达到100％，换热器的整体换热过程会严重偏离纯 逆流换热¨2|．因此，换热器长径比大幅缩小会严重 制约冷热流体间的深度换热． 为解决换热器长径比减小时冷热流体间的换热 深度受限问题，文献[13]中提出了壳程多通道的换 热器结构(见图2(a)与2(b))，即将换热器的传热 管束由原来一个管子数目巨大的管束沿径向作若干 在逆流换热条件最好的壳程轴流型壳式换热器 中，由于换热器的壳程进出口包含了两个折流换热 图2壳程多通道换热器结构和壳程流体路径示意图 区域，如果要保证折流区域的换热性能比逆流区域 Fig．2schematicdiagramofmulti—p啪_llelch籼e1structure 的换热性能下降小于5％，在两个折流区域Rl都需 andflowpathinshellsideofheatexchanger 万方数据 16 华南理工大学学报(自然科学版) 第38卷 次纵向分割，并列分置为多个管子数目较少的传热 管束．这相当于在一个大直径的换热器中并列分置 若干个小直径的换热器，由于每一个并列分置管束 的管数较少，流体需要横向掠过管束的管数也较少， 流体横向进入管束的豁口高度(人口高度)较低，这 样可以使得流体横向掠过每一个并列分置管束进出 口管段韵传热管长度(￡)大幅减小，有效降低换热 器折流区域所占的面积比例，增加在并列分置管束 中冷热流体逆流换热的管段长度比例，从而增加冷 热流体的换热深度．因为并列分置管束的方法使得 并列分置管束的长径比成=L／D。(D。为流体横向掠 过并列分置管束的距离)可以远大于原来整个总体 管束的长径比，这样就可以通过人为调整届。的大 小，使换热器折流区域所占的面积比例控制在一个 合理的范围，满足换热器深度换热的要求，避免原来 换热器长径比过小的缺陷，从而较好地解决超大型 换热器深度换热受限的问题． 4 结论 (1)通过换热器壳程流路的传热数学分析可 知，在纯逆流换热的条件下，若R：=1，则在深度换 热的临界点(ol=1)，临界值Rh。=1；在折流换热的 条件下，同样R：=1，在深度换热的临界点时，临界 值趋向于R。。，。=1．2：z》Rla，。．这表明在临界点，折流 区域的换热性能远低于纯逆流换热，应该避免折流 区域靠近深度换热的临界点操作． (2)文中给出了换热器折流区域的传热性能在 不同的换热深度条件下较逆流换热过程性能偏差程 度的定量分析结果．建议冷热流体在完成一定深度 换热任务(仅<1)时应该控制的换热器折流区域面积 与总换热面积的比例小于0．6／Rh。，这样可以控制换 热器的换热过程不会偏离纯逆流换热过多，使换热器 传热性能的下降幅度控制在5％以内． (3)现有技术在换热器结构大型化之后之所以 难以完成冷热流体的深度换热(口<1)，是因为换热 器的长径比显著减小，从而无法将换热器折流区域 与换热器总面积的比例关系维持在0．6／R№以下． 文中指出，若将换热器原来的一个大管束分解为若 干个并列分置的小管束，则可以大幅增加小管束的 长径比，使折流区域的面积比例大幅减小，有利于换 热器的总体换热贴近纯逆流换热，从而解决大型换 热器深度换热受限的问题． 参考文献： [1]刘少武，齐焉，赵树起，等，硫酸生产技术[M]．南京： 南京大学出版社，1993． [2]ZhangJ F，LiB，HuangWJ．Experimentalperformance comparisonofshell．．sideheattransferforsheH—-and．．tube heatexchangerswithmiddle·overlappedhelicalbaffles andsegmentalbaffles[J]．ChemicalEngineeringSci— enee，2009，64(8)：1643—1653． [3]LiH，KottkeV．Analysisoflocalshellsideheatandmass transferintheshell．．and．．tubeheatexchangerwithdisc．． and—doughnutbaffles[J]．InternationalJoumalofHeat andMassTransfer，1999，42(18)：3509-3521． [4]WangC，ZhuJG，SangZF．Experimentalstudiesonther- malperformanceandflowresistanceofheatexchangers withhelicalbaffles[J]．HeatTransferEngineering，2009， 30(5)：353—358． [5]PengB，WangQW，ZhangC．Anexperimentalstudyof 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工程

路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理

手册》编辑委员会．化学工程手册(第二 卷)[M]．北京：化学工业出版社，1989． [11]KuppanT．换热器设计手册[M]．钱颂文，廖景娱，邓 先和，等，译．北京：中国石化出版社，2004． (下转第22页) 万方数据 22 华南理工大学学报(自然科学版) 第38卷 HeatTransferModelofImpermeableProtectiveClothing withCoolingVest YahY／ng (SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SouthChina ZhangHui-ping UniversityofTechnology，Guangzhou510640，Guangdong，China) Abstract：Withmelamineresinastheshellandwithparaffinasthecore，acoolingvestwaspreparedfrommicro— encapsulatedphasechangematerialandwasappliedtotheimpermeableprotectiveclothing．Then，theeffectsof 'wearingtimeonthechesttemperature，thebacktemperature，thehandandlegtemperatures，andtherectaltem． peratureofthevolunteerwearersoftheprotectivecl withandwithoutthecoolingvestweremeasuredata roomtemperatureof36oCandwitharelativehumidityof60％．Moreover．accordingtotheempiricalformulaof heatproductionanddissipationinthehumanbodyandtheWoodcockequation，therelationshipbetweentheave． ragebodytemperatureandthewearingtimewasinvestigated．Theresultsshowthatthecoolingvestgreatlyreduces thetemperaturesofsuchbodypartsasthechest，theback，thehand，thelegandtherectal，andthatthemodeling calculationresultsofthevariationsintheaveragebodytemperaturewiththewearingtimeaccordwellwiththeex． perimentalones． Keywords：microencapsulatedphasechangematerial；coolingvest；physiologicalevaluation；impermeableprotec． tiveclothing：heattransfermodel (上接第16页) [12]邓先和，蒋夫花．换热器大型化发展中的深度换热问 题讨论[J]．硫酸工业，2009(6)：1。5． DengXian·he，JiangFu—hua．Disscustionoftheheatex— changerwithaclosetemperatureapproachunderthe tendencyofenlargingplantscale[J]．SulphuricAcidIn· dustry，2009(6)：1—5， [13]邓先和，张Ⅱ君．壳程多通道并流进出口结构的管壳 式换热器：中国，Z1200510036235．7[P]．2006-01-05． AnalysesofFlowPathinShellSideofHeatExchangers andHeatTransferDeviationofBafflingFlowfromCounterflow DengXian—-heJiangFu--hua (SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，Guangdong，China) Abstract：Theratioofoutlettemperatureofhotfluidtothatofcoldone，o／，whichreflectstheheattransferdepth， greatlyinfluencestheeffectiveheat—transfertemperaturedifference．Inordertoinvestigatetherelationshipbetween thelength—to—diameterratioandtheheattransferdepthofshell—and—tubeheatexchangers，theheattransferperfor— maneeinthebafflingflowregionintheshellsideisnumericallyanalyzedviaaflowpathapproachandiscompared withthatinthecounterflowregion．Theresultsshowthat(1)atthecriticalpoint(ot=1)ofheattransfer，theheat transferperformanceinthebafflingflowregionisfarpoorerthanthatinthecounterflowregion，sothatthebaffling flowregionshouldbekeptfarfromthecriticalpoint；(2)asthedeviationofheat—transfertemperaturedifference betweenthebafflingflowregionandthecounterflowregionchangeswithol，theratioofbafflingflowareatothe wholeareashouldbecontrolledtopreventthedeviationfrombeingtoolarge；and(3)wheno／<1，theratioshould besmallerthan0．6／Rl。．。tokeepthedeviationwithin5％．Thereasonsforthedifficultyinachievingandvalue lessthan1 forlarge—scaleheatexchangersarealsorevealed。andamulti．parallelchannelstructureintheshellside isfinallypresentedtoincreasetheheattransferdepth． Keywords：heatexchanger；counterflow；bafflingflow；heat—transfertemperaturedifference；flowpathanalysis； optimaldesign 万方数据