分離式液-氣熱管換熱器的設(shè)計與應(yīng)用

1、分離式液氣熱管換熱器的設(shè)計與應(yīng)用摘要:文中介紹一種利用工藝中液體冷卻放出熱量來加熱氣體的分離式熱管換熱器。對液氣換熱進行了熱力分析與強度、結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算,以及系統(tǒng)的水動力循環(huán)分析。同時給出了實際應(yīng)用實例,充分說明這種聯(lián)合換熱形式的換熱器是合理、可靠的。1 前言分離式熱管換熱器以其傳熱效率高、遠程傳熱、現(xiàn)場布置靈活而具特色。其最大的特點是加熱段與冷凝段可以相互獨立。以往大部分的分離式熱管換熱器都是采用一種熱流體同時加熱兩種或兩種以上的冷流體,冷、熱流體間多為氣氣換熱形式,然而,將二種或兩種以上的熱流體(液體 來加熱冷流體(氣體 ,目前還不多見。在結(jié)構(gòu)上加熱段完全采用普通管板式列管換熱器,熱流體走

2、殼程;冷凝段為帶有翅片管束的換熱器,其翅片管外流經(jīng)被加熱氣體,管內(nèi)通過上升管、下降管與列管換熱器管程構(gòu)成回路,將其抽成真空狀態(tài),充裝工質(zhì)。這樣殼程內(nèi)熱流體通過對流換熱將熱量傳輸給管程內(nèi)的液態(tài)工質(zhì),工質(zhì)吸收熱量在真空狀態(tài)下蒸發(fā),蒸汽沿上升管流至冷段凝結(jié)放出汽化潛熱將流經(jīng)翅片管外的氣體加熱。 2 結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計計算方法根據(jù)熱管加熱段的換熱,結(jié)構(gòu)上采用普通管板式列管換熱器,熱流體流經(jīng)殼程管程為熱管工質(zhì),換熱器管程由若干根換熱管組成一個單元,每個單元相互獨立,熱管的冷凝段則為翅片管換熱器,管外流經(jīng)需要被加熱的空氣,管內(nèi)通過若干根上升管、下降管與列管換熱器每個單元管程內(nèi)構(gòu)成回路,將其抽成真空狀態(tài),充裝工

3、質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如圖1。首先進行熱力計算,熱流體在殼程被冷卻,放出熱量Q ,為強化傳熱殼程布置了一定數(shù)量的折流板,其殼程流體的換熱系統(tǒng)可根據(jù)公式:Nu = 0.36 Re0155 Pr1/ 3 (f w 0114 (1求出。管程流體的換熱系數(shù)可通過傳熱因子jh 導(dǎo)出:jh = Nu·Pr - 1/ 3·(f w - 0114 (2式中f 流體粘度;w 流體在壁溫下的粘度;因此,熱管熱段列管式換熱器的總傳熱系數(shù)可以求出,傳熱面積也可求得,換熱管根數(shù)可以確定。殼程液體所放出的熱量與管內(nèi)工質(zhì)進行換熱,工質(zhì)吸收熱量蒸發(fā),蒸汽沿管內(nèi)上升,通過上升管輸送到熱管冷凝段, 在冷凝段管內(nèi)蒸汽與管外

4、氣體換熱,其管外換熱系數(shù)可根據(jù):Nu = 0.137 Re016338 Pr1/ 3 (3求出,冷凝段總傳熱系數(shù)也隨之求得。這樣,冷凝段翅片管換熱器的傳熱面積可以得出, 翅片管數(shù)量可以確定。在結(jié)構(gòu)上,熱管加熱段為典型的普通管殼式換熱器,采用了固定管板形式,殼體、封頭、法蘭、支座等均屬于壓力容器設(shè)備的零件,設(shè)計、制造按壓力容器規(guī)程執(zhí)行。管板、折流板則按規(guī)程要求根據(jù)具體情況考慮,管板的厚度選取應(yīng)考慮到材料的強度、介質(zhì)的壓力、溫度、以及管子的固定方式和受力狀況等因素,管殼式換熱器在設(shè)計中必須考慮由溫差引起的熱應(yīng)力,作出必要的熱補償措施。 為了使分離式熱管換熱器正常循環(huán)工作,必須克服上升管和下降管中蒸

5、汽及冷凝液流動所產(chǎn)生的壓力損失,該能量來源于冷、熱兩端換熱器之間的高度差和上升管與下降管內(nèi)工質(zhì)的密度差。在系統(tǒng)中,循環(huán)工作圖見圖2 ,其運動壓頭Syd :Syd = ( - e gH1 + ( - v gH2 + (c - v gH3 (4式中飽和水密度;e 蒸發(fā)段汽液兩相密度;c 冷凝段汽液兩相密度;v 蒸汽密度;阻力:P = Pc + P+ Pe + Pv (5在穩(wěn)定流動狀態(tài)下, 運動壓頭是和循環(huán)回路的總阻力相等的,即達到平衡點:Syd = P (6換熱器位差愈大, 水循環(huán)速度增加, 循環(huán)強烈, 流體的速度隨之增加,阻力也增大,重新達到新的平衡:Syd = P (7由此可得到換熱器之間的最

6、低高差,合理布置換熱設(shè)備。3 應(yīng)用在石油化工行業(yè)中,原蒸餾常減壓爐空氣預(yù)熱器系統(tǒng)存在設(shè)備老化、泄漏點多、檢修困難、熱效率低等問題,特別是目前加工進口含硫原油需要進行配套改造,現(xiàn)采用分離式熱管換熱器的常減壓蒸餾裝置工藝流程結(jié)構(gòu)如圖3。 常二線、常三線油分別流經(jīng)分離式熱管換熱器的加熱段,其加熱段結(jié)構(gòu)形式為二臺固定管板式列管換熱器,熱流體油走殼程,管程為熱管工質(zhì),分離式熱管換熱器的冷凝段為翅片管束換熱器,需要加熱的空氣流經(jīng)管外,管內(nèi)通過上升管與下降管與下部列管換熱器的管程相連,形成工質(zhì)循環(huán)回路。當(dāng)管內(nèi)具有一定真空度后,在位差的作用下熱管內(nèi)部的工質(zhì)不斷吸收熱流體油所放出的熱量,通過蒸發(fā)至冷凝段冷凝,源源不