通道排列對板翅式換熱器的影響

王曉芳

(河南漢諾頓換熱器有限公司，河南開封 475002)

板翅式換熱器由于優點獨特，目前已在空氣分離設備，乙烯、合成氨等石化設備，天然氣液化和分離、氫氦液化、制冷空調等領域得到越來越廣泛的應用。

1 板翅式換熱器簡介

板翅式換熱器主要有以下特點:傳熱效率高、結構緊湊、結構輕巧、適用范圍廣。鋁制板翅式換熱器可在溫度－273～120℃使用。適用于氣—氣，氣—液，液—液不同工質的熱交換場合，適用于多股流體介質的換熱，最多換熱的工質數可達12種，這是其它任何一種形式的換熱器都不能替代的。

目前，隨著鋁制板翅式換熱器用途的不斷推廣，它的發展也越來越迅速，設計壓力也越來越高。目前國外生產的鋁制板翅式換熱器，最高設計壓力已經達到了12 MPa，板束單體最大生產尺寸已達到10000 mm×1500 mm×1600 mm。國內生產的鋁制板翅式換熱器，其最高設計壓力為8.0 MPa，板束單體最大尺寸為8000 mm×1300 mm×1300 mm，工作介質最多可達12種。

在空分裝置中，板翅式換熱器的應用相當廣，主要有主換熱器、液化器、過冷器、冷凝蒸發器、預熱器、熱虹吸蒸發器以及增壓機后冷卻器。板翅式換熱器在整個空分裝置中占據了相當重要的地位，其換熱性能的好壞直接影響了整套空分裝置的正常運行。

2 通道排列對換熱器性能的影響

通道分配、排列是多股流板翅式換熱器設計的關鍵，并對換熱器的性能產生重大影響。如果通道分配、排列不合理，設計出來的換熱器同一截面的溫差較大，熱負荷不平衡，存在大量的熱量內耗，使得換熱器既使有很大的后備系數，也無法達到設計指標。

通道分配與排列時一般應考慮如下原則:

1.盡可能做到局部熱負荷平衡，使沿換熱器橫向各通道的熱負荷在一定范圍內達到平衡，以減小過剩熱負荷與過剩熱負荷的橫向傳導距離。其標志應是沿換熱器同一截面壁的溫度盡可能地接近。

2.通道的分配應使各個通道的計算長度基本接近，應使同一股氣流在各個通道中的阻力基本相同，并低于控制值。

3.通道排列應該避免溫度交叉，減少熱量內耗。

4.同一股氣流各個通道的翅片規格應該相同，這樣使得同一股流體的各個通道的阻力基本相同，并使阻力低于控制值。

5.切換式換熱器的切換通道的通道數應該相等，以免在氣流切換時產生壓力波動，而且切換通道在通道排列上應該毗鄰。

6.通道排列原則上應對稱，這不僅便于制造，而且受力情況也好，從強度方面考慮，最外側的通道應布置低壓流體。

通道排列時，對于氣—氣換熱，如果兩種流體的物性相差比較大，這時有兩種通道排布方案可選，一是采用復疊布置，但兩種翅片的高度相同，一是采用單疊布置，選用兩種不同高度的翅片，根據實際計算結果去選取;對于氣—液換熱，應選用復疊布置。

3 HTFS-MUSE計算軟件簡介

HTFS-MUSE換熱模擬軟件是英國傳熱學會技術公司開發的，它采用先進的數學模型和計算方法對板翅式換熱器進行傳熱及阻力計算。軟件具有強大的物性數據庫，是個功能很強的綜合性模擬軟件，它涵蓋了石油化工、深低溫、制冷等常見工藝流程換熱設備的模擬計算。HTFS-MUSE軟件具有不同的設備模型，在空分裝置中的換熱模型主要有:主換熱器、過冷器、冷凝蒸發器、熱虹吸和預熱器等。流向分為順流、逆流和錯流，可以采用設計，校核和層與層模擬三種模式進行換熱器的設計計算。可以利用不同的計算模型，以求得更為精確的計算結果。

HTFS-MUSE軟件采用對話框的形式進行數據輸入運算，給設計者帶來了很大方便。HTFS-MUSE軟件具有強大的運算功能，可以進行換熱設備的概略設計、精確計算、通道排列、阻力校核、流體分配等。HTFS-MUSE軟件通過運算可以生成溫度曲線、壓降曲線、通道熱負荷分布曲線、通道排布等多種曲線，方便用戶對計算結果進行分析判斷。

4 案例分析

下面是運用HTFS-MUSE軟件設計的一套1500 Nm3/h空分裝置用主換熱器，采用兩種不同的通道排列方式，得出不同的設計結果。設計參數見表1。

表1 主要設計參數Table 1 Main design parameters

4.1 方案一:通道排列按各流體均布排列原則

4.1.1 通道排列

通道排列圖見圖1。

圖1 通道排列圖Fig.1 Channel arrangement diagram

4.1.2 主要計算結果

主要計算結果見圖2。

4.1.3 通道熱負荷分布曲線圖

通道熱負荷分布曲線圖見圖3和圖4。

基本的通道排列圖是基于物流的熱負荷沿著它的層均勻分布的假設。一個好的通道排列所產生的ZIG-ZAG曲線是在零周圍均勻震蕩，一個差的通道排列，因為局部熱負荷或冷負荷過載，所產生的ZIG-ZAG曲線將嚴重偏離零點。在HTFS-MUSE程序運行結果中，可看到沿著換熱器長度方向，4個不同區域的ZIG-ZAG曲線圖，由此曲線圖可判斷通道排列是否合理。圖3是換熱器整個長度方向上的通道熱負荷分布曲線圖，圖4是沿著換熱器長度方向，4個不同區域的通道熱負荷分布曲線圖。

圖2 主要計算結果Fig.2 Main computing result table

圖3 通道熱負荷分布曲線圖Fig.3 Channel heat load distribution graph

由圖3通道熱負荷分布曲線圖可以看出，各流體在每個截面的熱負荷基本上是平衡的，說明此計算通道排列是合理的。

圖4 通道熱負荷分布曲線圖Fig.4 Channel heat load distribution graph

由圖4可以看出，在換熱器的中部以上，熱負荷基本平衡，但是下段卻有所偏離，這是因為整套空分流程組織造成的問題，是不能調整的。因為空分流程平衡計算要求一部分膨脹空氣要從主換熱器的中部引出進下塔，如果按上段熱負荷平衡來處理的話，將導致換熱器的下段熱量減少，造成冷熱負荷不平衡。這在實際運行中是不經濟的，為了解決冷熱負荷不匹配，減少能量內耗，實際工程設計中，常將膨脹空氣的下部通道給空氣，盡量使換熱器的下段熱負荷也均衡。通過現場空分運行數據的反饋，證明此方案是非常有效地改善下部流道分布不均勻的方法。

從以上各種曲線圖和計算結果來看，主換熱器的各狀態點都在設計范圍之內，證明此方案是合理的，通道排列也較合適。

4.2 方案二:通道排列各流體沒有均布排列

4.2.1 通道排列圖

通道排列圖見圖5。

圖5 通道排列圖Fig.5 Channel arrangement diagram

4.2.2 主要計算結果

主要計算結果見圖6。

圖6 主要計算結果表Fig.6 Main computing result table

從圖6中可看出，換熱器的計算長度為6734.36 mm，而前者計算長度為4328.87 mm，遠遠大于前者，故此方案不合理。

4.2.3 通道熱負荷分布曲線圖

通道熱負荷分布曲線圖見圖7和圖8。

圖7 通道熱負荷分布曲線圖Fig.7 Channel heat load distribution graph

圖8 通道熱負荷分布曲線圖Fig.8 Channel heat load distribution graph

5 小結

由圖7和圖8通道熱負荷分布曲線圖可看出，各流體在每個截面的熱負荷嚴重偏離平衡值，說明此計算通道排列不合理。

由上面計算結果可以看出，如果通道排布不合理，將導致換熱器的計算長度大大增加，冷流體出口溫度達不到設計值，而且每個截面的熱負荷都不平衡，增加能耗。故第二種方案是不合理的。

板翅式換熱器由于其高效性、緊湊性、適用范圍廣等眾多優點，而被廣泛用在空分設備的換熱系統中，尤其是其適用于多股流體介質的換熱，是其它任何一種形式的換熱器都不能替代的。

通道分配與通道排列是多股流板翅式換熱器設計的關鍵問題，如果通道分配、排列不合理，設計出來的換熱器同一截面的溫差較大，熱負荷不平衡，存在大量的熱量內耗，使得換熱器即使有很大的富裕系數，也無法達到設計指標。