某立式蛇形翅片管換熱器等效熱力計算

冉 攀

東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,四川 成都 611731

0 引言

在“雙碳”目標、節能減排的背景下,國家愈加重視經濟與環境之間的協調發展,積極引導、鼓勵企業提高能源利用效率。在此背景下,越來越多的化工企業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,而隨著經濟條件和環境要求的變化,越來越多溫度較低、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]。低溫工業余熱量占工業余熱總量的15%～23%[2],低溫余熱利用技術具有很大的市場空間。針對溫度較低、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,會導致換熱器所需換熱面積很大,利用常見的換熱器(如U形管式、發夾式、固定管板式、釜式)實現余熱回收,難以解決換熱器尺寸太大和安裝場地受限的難題。特別是在氣體處理量很大、對氣側壓損有嚴格要求的情況下,只能選擇數臺設備并聯,會造成安裝場地過大、設備成本過高。

當采用典型的換熱器(如U形管式、發夾式、固定管板式、釜式)進行低溫、大流量余熱回收時,難以解決換熱器尺寸太大、安裝場地受限、設備成本過高等難題時,立式蛇形翅片管換熱器應運而生。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題,并且氣體處理量可以很大,且壓損很小。

某硝酸裝置項目,業主要求進行NOx氣體的余熱回收。該余熱回收項目具有以下特點：氣體處理量很大但允許壓損很小、熱源溫度很低、介質傳熱性能一般。該余熱氣體溫度較低,僅為290 ℃;氣體流量較大,達到180 t/h;氣體入口壓力僅為315 kPa,意味著壓損必須很小。經過選型研究,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,并且性能完全達標。

利用軟件進行該換熱器的性能計算時,為增強換熱效果選擇“對流”模型,該模型中換熱管在垂直方向上不在一個平面上,若按軟件布管進行設計制造,將導致管系制造難度大、經濟性差、可靠性差。因此,實際設計時,對軟件布管結果進行了優化,將同一管屏的換熱管在縱向方向上置于同一平面。通過該優化,成功解決了制造難度大、經濟性差、可靠性差等問題。但同時,由于實際布管與軟件布管不一致,導致實際布管的管子根數為軟件布管根數的2倍,將嚴重影響管內傳熱系數,從而影響總傳熱系數。為了評估管內傳熱系數對總傳熱系數的影響,針對布管的不一致進行了熱力計算的等效研究。

1 軟件熱力計算

參照煙道式省煤器進行計算,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限制(最大24排),將管、殼側流量減半進行計算。經過調整,橫向布管14排,縱向96行。工藝流程方面,該換熱器管側走水介質(冷),殼側走NOx氣體(熱);介質物性方面,水介質物性直接從軟件自帶的數據庫查取,NOx氣體的物性則是軟件利用物料組分進行計算得到,NOx氣體部分參數見表1。冷水進口溫度158 ℃,NOx氣體進口溫度290 ℃。最終計算得到管側傳熱系數為12 047 W/(m2·K),殼側傳熱系數為49.35 W/(m2·K),總傳熱系數為36.67 W/(m2·K)。

表1 NOx氣體參數

如圖1所示,管內流體在垂直方向上不在同一平面內流動,即同一管屏的管子在垂直方向上不在一個平面上,若完全按照軟件計算結果進行實際布管和制造,會存在以下不足。

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平面上,制造難度大。

3)同一管屏的管子不在一個平面上導致吊掛裝置設計難度大,可靠性差。

2 實際布管與介質流向

為了改進上述提到的3點不足,節省成本,減小設計、制造難度,同時提高吊掛的可靠性,實際布管時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,實際布管時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,同時也減小了設計、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。

實際布管時將同一管屏的管子在縱向方向上置于同一平面,雖然從結構上來說更合理,管束吊掛的強度更可靠,但必須認識到,實際布管和軟件布管的差異會導致傳熱系數產生變化,因此必須進行兩者的熱力計算等效研究,驗證是否可以將軟件計算結果直接用于指導換熱器的結構設計。

3 等效熱力計算

實際布管與軟件布管有差距,將會影響管內、管外傳熱系數。兩者布管角度和節距沒有變化,因此對管外傳熱的影響可以忽略,但是實際布管根數為軟件布管根數的2倍,這將很大程度上影響管內流體流速,從而影響管內傳熱系數。為了評估管內流速對總傳熱系數的影響,將管內流量減半,此時軟件計算的管內流速和實際流速相當。計算得到此時的管內傳熱系數為7 467.2 W/(m2·K),即實際的管內傳熱系數與7 467.2 W/(m2·K)相當。而管外傳熱系數受到的影響可以忽略,因此管外傳熱系數與49.35 W/(m2·K)相當。傳熱系數計算公式如下。

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

計算得到總傳熱系數K0為36.58 W/(m2·K),與軟件計算結果36.67 W/(m2·K)的偏差僅為0.25%,對于工程運用來說,可以認為二者等效,可以采用圖2所示的實際布管進行施工設計以及生產制造。該換熱器最終的達標運行也證實了這種等效對于工程運用來說是可行的。

4 結束語

當下,越來越多的企業注重節能環保,越來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、發夾式、固定管板式)實現低溫余熱回收,難以解決換熱器尺寸太大和安裝場地受限的難題。而在設計非典型換熱器時,難免會遇到軟件不能完全模擬的情況,此時設計者可以考慮將軟件計算結果進行等效,對于工程設計來說,合理的偏差是允許存在的。一般來說,低溫余熱氣體用于加熱水工質,此時,水側的傳熱系數一般遠遠大于氣側傳熱系數,更改結構引起水側傳熱系數變化時,對總傳熱系數的影響一般不大。為確保軟件計算結果可用于實際工程設計,可考慮將軟件計算結果進行等效,只要偏差在可控范圍內,對于工程項目來說是可以接受的。