圓塊孔式石墨換熱器總傳熱系數的模擬計算

張 猛，耿堯辰（中國天辰工程有限公司，天津 300400）

圓塊孔式石墨換熱器總傳熱系數的模擬計算

張 猛，耿堯辰
（中國天辰工程有限公司，天津 300400）

介紹了一種利用 HTRI軟件中的套管式換熱器模型對圓塊孔式石墨換熱器進行計算的模擬方法，并將模擬結果與廠家計算值進行比較，大部分結果偏差在 10%以內，表明此種計算方法具有較好的工程指導意義。

圓塊孔式石墨換熱器；總傳熱系數；HTRI

1 概述

不透性石墨制換熱設備具有優良的耐腐蝕性和傳熱性能，被廣泛應用于氯堿行業、磷酸濃縮以及鋼鐵酸洗等涉及腐蝕性介質傳熱的工藝過程中。石墨換熱器按其結構形式主要分為列管式和圓塊孔式兩種，其中圓塊孔式換熱器因其具有密封性能良好、使用壓力高以及結構緊湊等優點常被應用于操作條件苛刻或有熱沖擊及震動的場合。

圓塊孔式石墨換熱器由若干圓形截面的浸漬石墨塊組成，石墨塊之間用O型圈密封。 在石墨塊上有許多平行于軸線和垂直于軸線的圓孔流道，前者稱為縱向流道，后者稱為橫向流道，其中，橫向流道位于各縱向流道的間隔中間。一種介質（一般為工藝介質）沿軸向流道從上往下或從下往上流動；而另一種介質（一般為服務介質）沿橫向流道流動，相鄰兩塊換熱塊橫向流動方向相逆。兩種介質利用換熱塊石墨實體進行 間壁式換熱[1]。

盡管圓塊孔式石墨換熱器已得到廣泛的應用，其傳熱計算方法卻鮮有報道，通用的換熱器計算軟件也沒有其計算模型。南京工業大學的潘虎自上世紀80年代開始對圓塊孔式石墨換熱器的傳熱計算進行研究，并結合實驗數據提出了縱向、橫向流道側傳熱膜系數以及總傳熱系數的計算公式[2-3]。 然而，此公式僅適用于簡單的非相變傳熱計算，并不能滿足工藝設計中多組分冷凝、蒸發等復雜的相變傳熱計算。

目前，圓塊孔式石墨換熱器的傳熱計算被掌握在少數石墨設備制造廠家手中，設計單位和用戶無法有效的校核其換熱器設計的合理性，因此在換熱器的設計和訂貨過程中處于不利位置。本文介紹了一種利用 HTRI軟件對多組分相變傳熱過程進行計算的方法，并將其應用到中國天辰公司承接項目中圓塊孔式石墨換熱器的校核計算，大部分計算的總傳熱系數 K 縱（以縱向孔道表面積為基準）與廠家計算值的偏差小于 10%，提供了一種較可靠的圓塊孔式石墨換熱器的校核計算方法。

2 總傳熱系數K縱的計算公式

圓塊孔式石墨換熱器的傳熱機理及過程與列管式的相同，都 包括以下 3 個 過程[4]。

（1）熱介質將熱量傳給高溫壁面；

（2）熱量由高溫壁面通過石墨間壁傳給低溫壁面；

（3）熱量由低溫壁面傳給冷介質。

則K縱應由3部分組成：

式中：K縱—總傳熱系 數，W/（m2·℃）；

α縱—工藝側 傳熱膜系數，W/（m2·℃）；

α橫—服務側 傳熱膜系數，W/（m2·℃）；

A縱—縱向孔道總面積，m2；

A橫—橫向孔道總面積，m2；

A均—平均傳熱表面積，m2，A

k—石墨導熱系數，W/（m·℃）；

V′—石墨塊鉆去孔道后的剩余體積，m3。

考慮工藝側及服務側的污垢熱阻R縱和R橫，總污垢熱阻為則

其中，A縱、A橫、A均以及b′由石墨塊的結構決定，R橫和R縱由工藝條件或者工程經驗給出，k 根據文獻取 100 W/（m·℃）。 根據圓 塊孔式石墨換 熱 器的結構，可將工藝介質和服務介質分別按照在垂直和水平圓管內作強制對流或發生相變傳熱來考慮，通過HTRI 軟件模擬計算或通過 Dittus－Boelter 關聯式等半經驗公式來求得α縱和α橫。

3 計算舉例

以項目中某汽提塔冷凝器為例進行校核計算，換熱器的結構性質見表1。

換熱器的流股性質見表2。

工藝介質的質量組成見表3。

石墨塊的結構參數見圖1。

表1 換熱器的結構性質

表2 換熱器的流股性質

表3 工藝介質的質量組成

圖1 石墨塊的結構參數

3.1 服務側傳熱膜系數α橫的計算

此例中服務側為水的無相變強制對流傳熱，α橫可 由 Dittus－Boelter 關 聯 式 ， 即計算得出。

3.2 工藝側傳熱膜系數 α縱的計算

此例中工藝側為多組分蒸汽冷凝的復雜相變傳熱，利用HTRI軟件中的套管式換熱器模型（Jacketed Pipe Exchanger）來模擬此傳熱過程，設定工藝熱物流走管內（Hot Pipe），計算結果中的管內傳熱膜系數（Pipe h）即為所求α縱。 下面簡要介紹一下程序中各參數的設置。

在 Input Summary選項中 ， 將 Case Mode 選為Rating。 在 Jacket Geometry 中輸入夾套管的參數，其中夾套管內徑選為 55 mm （后文會討論夾套管內徑對模擬結果的影響），熱流股走管內，安裝方向為垂直。 在 Process Conditions 中輸入冷熱物流的流股性質，熱物流的流量為 13.58 kg/h，冷凝水由于溫升已確定故不必輸入流量。 在 Pipe Geometry 中輸入垂直圓管的參數，其中管長 L=0.34×8=2.72 m （忽略各換熱塊間的間距），壁厚選取換熱塊的當量壁厚 7mm，管外徑 OD=10+7×2=24（mm），管子類型為光滑管。

在 Geometry 選項中 ，僅將 Pipe Material中的管子材質選為石墨， 導熱系數設為 100 W/（m·℃），其余選項設為默認值。 設置完成后在 Nozzle Location選項中確認模擬換熱器的安裝方式及熱物流流動方向是否與石墨換熱器相同，見圖 2。

圖2 模擬換熱器的安裝方式及物流流動方向

在 Process 選項中，定義冷熱物流的名稱并輸入兩側的污垢熱阻，根據工程經驗水側及工藝側的污垢熱阻分別設為0.000 396 和 0.000 198 （m2·℃ ）/W。至此，換熱器結構性質參數已輸入完畢，下面進行流股性質及組成的輸入。

在 Hot Fluid Properties 選項中 ， 打開 Property Generator，將 Property package 選為 VMG Thermo，氣液相模型選為默認的 Advanced Peng-Robinson。 在Composition選項中，將 Composition Basis 選 為 Mass后按照表 2.3 輸入工藝介質的組成及質量分數。 之后 在 Conditions 選 項 中 輸 入 壓 力 500 kPa 及 溫 度 范圍 42 ℃~154 ℃，生成流股物性并將結果全部導入。

在 Cold Fluid Properties 選項中，將 Physical Property Input Option 一 項設定為 Component by Component。 在 Components 選項中，選擇 Package 為VMG Thermo，在數據庫中選擇組分為水。

至此所有參數輸入完畢，運行模擬。報告中Pipeh 一項即為所求的 α縱，結果為 260.7W/（m2·℃）。

3.3 夾套管內徑對 α縱模擬結果的影響

一般認為一側的傳熱膜系數只與該側流體的流動情況有關，因為冷卻水流量已確定，所以改變夾套管的內徑會改變冷卻水的流速進而改變環側的傳熱膜系數，但卻不會對管內傳熱膜系數的大小造成影響。為了驗證夾套管內徑對管內傳熱膜系數的影響，本文進行了靈敏度分析，結果見圖 3。

圖3 靈敏度分析結果

由靈敏度分析的結果可以看出，夾套管內徑的取值對于環側傳熱膜系數影響很大，而對管內傳熱膜系數基本沒有影響。因此，在模擬過程中夾套管內徑的取值只需大于圓管外徑即可，在本例中將夾套管內徑設為 55 mm。

3.4 總傳熱系數 K縱的計算

考慮污垢熱阻時：

不考慮污垢熱阻時：

模擬結果與廠商計算值的比較見表4所示。

表4 模擬結果與廠商計算值的比較

所有樣本的偏差分析見表5。

表5 樣本的偏差分析

由表5可以看出偏差多為負偏差，即模擬的總傳熱系數K值小于廠家計算值。在設置相關參數進行模擬時， 管長為石墨塊的組合高度，HTRI軟件將縱向孔道認為是一根連續的圓管進行傳熱計算。而真實情況是相鄰塊體之間留有 2~4 mm 的間隙 （組裝O型密封圈產生）， 此空間相當于縱向流道中介質再分布的湍流室，可提高縱向孔道的傳熱膜系數。因此模擬計算值普遍小于廠商計算值，可將模擬計算值乘以合適的系數予以校正。

4 總結

根據圓塊孔式石墨換熱器的結構， 借助 HTRI軟件中套管式換熱器的模型，本文提出了一種針對圓塊孔式石墨換熱器的校核計算方法，可將其應用于圓塊孔式石墨換熱器校核計算中，改變設計單位和用戶在換熱器的設計與訂貨過程中的不利位置，具有較好的工程指導意義。

［1］許志遠，等．石墨制化工設備，北京：化學工業出版社，2003.

［2］潘 虎．圓塊式石墨換熱器傳熱系數的計算，化工設計通訊，1988，14（2）：60～63.

［3］潘 虎．圓塊式石墨換熱器的傳熱系數，石油化工設備，1978，16（11）：18～22.

［4］錢頌文．換熱器設計手冊，北京：化學工業出版社，2006.

Total heat transfer coefficient simulation calculation of graphite block heat exchanger

ZHANG Meng， GENG Yao-chen
（China Tianchen Engineering Corporation,Tianjin 300400,China）

On the basis of applying double-pipe heat exchanger model from HTRI，a heat-transfer calculation method for graphite block heat exchanger is studied in the paper.Most biases between calculation results and manufacture parameters are less than 10%，indicating the method is applicable to engineering design.

graphite block heat exchanger；total heat transfer coefficient；HTRI

TQ051.5

：B

：1009－1785(2017)02-0030-04

2017-01-27