翅片换热器的设计选型

      本文我们将来论述下翅片换热器设计选型的一般性原则,讨论设计选型中常遇到的问题及应对措施。

  研究表明,综合权衡传热与阻力、结构与材料、制造与清洗等多目标需求,优化翅片型式与管束布置、匹配流体物性与工况条件,是实现翅片换热器高性能、低成本、长寿命运行的根本途径。

一、引言

   

翅片换热器是一种通过扩展传热面积强化对流换热的高效传热设备,在石化、冶金、电力等工业领域得到广泛应用[1]。与光管相比,翅片管的单位体积传热量可提高3~5倍[2]。合理设计翅片换热器的结构参数和运行工况,对于强化传热、节约投资、降低能耗具有重要意义。

翅片换热器的设计选型是在已知工况条件下,确定换热器的结构型式和关键参数,使其在满足传热任务的同时,还要兼顾压降经济、重量体积、制造安装、清洗检修等多方面要求的过程[3]。实际工程中,设计者须权衡传热、水力、强度、经济等多个目标,并根据生产工艺特点和场地限制等因素,综合选择最优方案。这就要求设计者全面理解翅片换热器的传热机理,掌握各种设计准则和优化方法,积累丰富的设计经验和实践技能。

二、翅片换热器设计选项的基本原则      

         

2.1 总体效能最优原则    

翅片换热器的总体效能取决于传热量、压降功耗、投资成本、运行费用等多个因素。设计选型时应在保证传热任务的前提下,以总体效能最优为目标,兼顾热工性能、水力性能、机械性能、经济性能的平衡[4]。

2.2 结构紧凑合理原则    

紧凑合理的结构布置是提高翅片换热器效能的关键。要充分利用有限的空间,减小设备体积重量,方便制造安装。同时要兼顾均布流体、强化传热、降低振动、防止泄漏等要求,优化流道布置和支撑连接方式[5]。

2.3 工艺先进可行原则    

设计选型应立足于工艺制造能力,选择先进成熟的生产工艺和加工设备。关键部件的材料、精度、尺寸公差等要满足可加工性要求。大型换热器还需要考虑运输条件和现场组装工艺,降低制造成本[6]。

2.4 运行可靠易维护原则    

确保换热器长周期安全可靠运行是设计的基本要求。要重视防腐蚀、防泄漏、抗振动等措施,延长使用寿命。要优化检修通道布置,便于在线清洗和定期检修,最大限度地提高设备运行率和使用效能[7]。

2.5 节能环保经济原则    

节能减排、低碳环保是现代工业的重要议题。设计翅片换热器时,要重点关注传热强化与功耗平衡、污垢耐受与清洗周期匹配等节能措施,优先选用环保高效的新型材料和清洁生产工艺,并从全生命周期视角优化投资和运行费用[8]。

 

三、翅片换热器的通用设计方法      

         

3.1 热阻最小化法    

热阻最小化法以传热热阻最小为优化目标,在约束条件下求解翅片管的最优结构参数[9]。其基本思路是建立描述翅片管传热过程的热阻网络模型,推导各分量热阻与翅片几何参数、材料属性、流体工况的关联函数,运用极值原理求解热阻最小时的最优参数组合。该方法直观简便,但仅考虑了传热因素,未涉及水力和经济性能。

3.2 效能价格比优化法    

效能价格比法综合考虑了翅片换热器的传热量、压降功耗和投资成本,以换热量与成本比值最大为优化目标[10]。其关键是合理构建效能价格比目标函数,科学描述翅片管结构参数对传热系数、流动阻力、成本费用的影响规律,运用数值计算方法搜寻全局最优解,获得兼顾传热强化和成本节约的设计方案。该方法体现了投入产出平衡思想,但尚未考虑设备运行费用。

3.3 熵产生最小化法    

熵产生最小化法以熵产生率最小为优化目标,在约束条件下求解翅片管的最优结构参数和运行参数[11]。其基本原理是基于热力学第二定律,建立描述翅片换热器内不可逆过程的熵产生模型,揭示熵产生与传热温差、流体摩擦、热源品位等因素的内在联系,应用最优控制理论导出熵产生最小时的最优参数。该方法立足于热力学理论,考虑了传热、阻力、效率的综合影响,具有广阔的应用前景。

3.4 数值模拟优化法    

数值模拟优化法借助计算流体动力学(CFD)和计算传热学(CHT)等数值模拟技术,对翅片换热器的传热传质过程进行精细化模拟,获得温度场、流场、应力场的分布规律,评判关键结构参数对传热性能的影响规律,进而优选出最佳设计方案[12]。该方法可直观展示传热过程的微观细节,全面考察设计参数的敏感性,为结构优化提供可靠的理论依据。但计算量大、周期长,实用性有待提高。

 

四、翅片换热器设计选项注意事项      

         

4.1 流体分配均匀性    

翅片管内的不均匀流动会引起局部传热恶化和压降增大。设计时要优化进出口形式,采用导流构件均化速度分布,避免死水区和旁路泄漏[13]。

4.2 温度梯度的控制    

过大的径向温度梯度易引起热应力集中,产生疲劳裂纹。设计时应合理控制翅片效率,适当增大径向传热步长,减小局部温差[14]。

4.3 振动与噪声防治    

高速气流激励下的流致振动会引起设备共振,产生强噪声。设计时要优化管束布置,调整翅片排列和管节距,避开气固耦合激振频率[15]。

4.4 防污除垢措施    

换热器运行中的污垢附着会恶化传热性能。要合理匹配流速与清管周期,必要时采用涂层、颗粒床、声场等污垢防治技术[16]。

4.5 强度与可靠性    

要重视高温高压工况下材料的抗氧化、抗蠕变性能,合理设置筒体壁厚,优化管板、封头等承压件结构,确保长周期安全运行[17]。

 

五、工程概况      

         

5.1 工程概况    

67万千瓦超超临界机组凝汽器,设计饱和蒸汽量670.3t/h,设计冷却水进出口温度32/40℃,冷却水流量48600m3/h,管程数2,每程管排数3790根。

5.2 结构设计    

(1)管束结构:两端管板,中间设置管支撑板和防震块。
(2)翅片管参数:H68黄铜材质,外径20mm,内径16mm,翅片高度1.5mm,厚度0.5mm,节距3.75mm,根数276片/m。
(3)管排布置:正三角形布置,横向节距33mm,纵向节距28.58mm。
(4)水室结构:上装式水室,φ1870x24mm,内装旋流装置。

5.3 设计校核    

传热系数K=2411W/(m2·K),压降41.6kPa,传热管最大应力126MPa,振动频率17.6Hz,固有频率6.8Hz,满足设计要求。

5.4 讨论    

(1)采用纵向加密正三角形布置,减少管排数,缩短冷凝器长度。
(2)采用高翅片管,降低海水侧设计参数,提高传热效率并控制管内流速。
(3)分段布置管束,减小管束跨度,降低管束振动风险。
(4)加大管程数,减少单程管排数,降低制造难度和成本。

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