管壳式换热器壳程强化传热评价方法

摘要:分析比较了现有的强化传热评价方法与评价指标。通过分析管壳式换热器壳程传热与阻力性能特点,指出管壳式换热器壳程的强化传热研究,在采用能量系数Ｋ/Ｎ来评价强化传热时,应更着眼于提高其传热性能。通过推导分析,说明采用α/ΔＰ1/3作为评价指标,能够准确评价壳程强化传热的性能。
1　强化传热评价方法

要确定一项强化传热新技术是否先进,必须对其进行评价。但在实际的使用中,出现了多种评价强化传热的方法与评价指标。最早对换热器进行评价都采用单一参数,例如总传热系数Ｋ和压降ΔＰ,这两个参数均与流体的流速有关,故一般工程上采用在相同流速下比较总传热系数和压降。有人主张采用换热量Ｑ与消耗的泵(或风机)的功率Ｎ的比值,即能量系数作为评价指标,类似的也广泛采用Ｋ/ΔＰ以及无因次化的Ｎｕ/ζ来进行评价,为了更准确地反映强化传热的性能,进一步也可以使用Ｋ/ΔＰ1/3及Ｎｕ/ζ1/3作为指标[1～2]。随着传热技术的发展,换热器日益向体积小、重量轻的方向发展,同时在提高效率的前提下,要求操作费用降低。文献[3～4]在综合分析的基础上,提出了一套较为完整的性能评价数据,即维持输送功率、传热面积、传热负荷3因素中的两因素不变,比较第3因素的大小以评定传热性能的好坏。

这些评价都只是分析换热器的能量在数量上转换、传递、利用和损失的情况,即以热力学第一定律为基础。为了更准确地反映热量交换过程能量在质量上的损失,在理论研究中也提出了许多基于热力学第二定律的评价方法,即分析换热器中火用的转换、传递、利用和损失的情况。文献[5]提出了以熵产单元数Ｎｓ作为评价指标,文献[6]等在熵产分析的基础上提出强化传热性能因数来进行评价。有些学者还提出采用火用分析法[7～8]对换热器进行评价,采用各种火用效率来作为评价指标,它与熵产分析法类似,能从能量的质量上来讨论流动与传热的关系。而进行技术推广应用时,还应考虑采用强化换热技术后管子等价格的增加和运行费用的变化,运用经济核算的方法进行评价,即热经济学的评价方法。

而在实际的使用过程中,进行强化传热新技术、新方法的研究更多采用简单易用的单一参数Ｋ,ΔＰ以及单一参数组合而成的Ｋ/ΔＰ,Ｋ/ΔＰ1/3来进行评价[9～11]。而基于热力学第二定律的方法在设计过程中可用来判断换热器的性能,作为进一步改善的依据,但在工程上缺乏实用性。

2　管壳式换热器壳程强化传热评价分析

工业生产中广泛使用各种类型的换热器来实现热量的合理利用,就使用的场合和数量来讲,目前为止管壳式换热器仍占据主要地位。采用各种强化传热方法设计制造高性能的换热器是经济地开发和利用能源的最重要手段,管壳式换热器的强化传热研究经过多年发展,目前已经取得了许多广泛使用的成果。这些强化传热的技术与方法一般可以分成管程强化与壳程强化两个方面。目前壳程传热强化的途径有3种:一是改变壳程挡板或管支撑物的形式,二是改变管子外形或在管外加翅片,另外还可以通过改变壳程流程布置来强化传热。要对这些途径进行评价,应该使用更合适的管壳式换热器壳程强化传热的评价指标。

管壳式换热器壳程进行强化传热研究时广泛采用的仍是能量系数Ｋ/Ｎ作为评价指标,在此Ｋ为总传热系数,而Ｎ为流体输送机械的功率,可以看作壳程流体流过整个壳程管路的阻力。

管壳式换热器的总传热系数Ｋ可以表示成下式



忽略管壁热阻及污垢热阻,简化为



在无相变换热的情况下,一般壳程对流换热系数α1小于管程对流换热系数α2,所以在壳程进行强化传热的改进,可以使总传热系数Ｋ有较大提高。