如何充分利用壓降優(yōu)化冷卻器設(shè)計(jì)

冷卻器廣泛應(yīng)用于化工、動(dòng)力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)。冷卻器的種類很多，但管殼式冷卻器以其制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用，尤其是在化工、石油、能源等行業(yè)中。但在我國(guó)對(duì)管殼式冷卻器的設(shè)計(jì)還不盡完善。

1管殼式冷卻器設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀盡管在我國(guó)管殼式冷卻器應(yīng)用歷史悠久，但對(duì)其設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。管殼式冷卻器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟為：初步選定冷卻器的流動(dòng)方式，計(jì)算Ft.若Ft< 0.8，設(shè)計(jì)多殼程或多個(gè)冷卻器串聯(lián)。

由A1初選冷卻器型號(hào)并確定主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

計(jì)算傳熱膜系數(shù)h、傳熱膜系數(shù)h、傳熱系數(shù)K.若K與K1相差很大，重新假設(shè)K1，直至K與K1很接近。

計(jì)算管程壓降<ap允許，否則調(diào)整管程數(shù)。< p="">

折流板間距。

計(jì)算總傳熱系數(shù)，校核傳熱面積。該方法也稱為平均溫差法(LMTD)。

除LMTD法外，e-NTU法也常用。對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算來說，這2種方法的計(jì)算工作量差不多，但采用LMTD法可以由Ft值的大小，判斷冷卻器流動(dòng)形式是否合理，從而有助于流動(dòng)形式的選擇。通過e-NTU法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算選型(多程管殼式冷卻器)時(shí)，必須使用試算方法。

國(guó)外Bell-Delaware詳細(xì)設(shè)計(jì)法其設(shè)計(jì)思路相同，惟一差別是采用了不同的計(jì)算傳熱膜系數(shù)和壓降的公式。BelHDelaware法在公開中被認(rèn)為是最好的設(shè)計(jì)方法。

無論是何種方法，在設(shè)計(jì)中往往是只要求Ap，<ap允許、ap<ap允許即認(rèn)為設(shè)計(jì)的冷卻器可行。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)apt與ap允許相差較大，這樣就沒有充分利用壓降。ap允許在對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)初步定下來。一般來說，每殼程液體的允許壓降是5070kpa.這對(duì)管側(cè)粘度大的液體尤為重要，因?yàn)橹挥斜ＷC較高的壓降才能使流體達(dá)到湍流。對(duì)氣體允許壓降為520kpa，最常用的壓降為10kpaaap允許是冷卻器設(shè)計(jì)非常重要的參數(shù)，其在換熱系統(tǒng)確定時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)情況已經(jīng)確定了每一物流的允許壓降，選定了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備，因而有必要充分利用每個(gè)冷卻器的允許壓降，為此，首先必須了解影響冷卻器壓降的因素。< p="">

2影響冷卻器壓降的因素2.1管殼式冷卻器的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的管殼式冷卻器的折流板采用弓形板式支撐。弓形折流板的設(shè)置提高了殼程內(nèi)流體的流速和湍流的程度，提高了傳熱效率。但是流體在殼程內(nèi)的流動(dòng)時(shí)而垂直于管束，時(shí)而又平行于管束，從而增加了流體的流動(dòng)阻力。

折流桿式冷卻器以桿式支撐替代原弓形擋板，具有抗振、高效、低壓降等優(yōu)點(diǎn)。其與傳統(tǒng)的折流板管殼首先假定/(1=由以4上對(duì)影響冷卻器壓降因素的分析可知，P在1ishi81.58ume.從固定管板式冷卻器型/號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中查到500式冷卻器相比較，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有較大變化。殼程內(nèi)部采用折流桿組成的折流柵做管間支撐，從而使殼程流體由橫向流動(dòng)變?yōu)槠叫辛鲃?dòng)，這不僅較大減少了傳熱死區(qū)，而且大幅度減少了流體因反復(fù)折流而造成的殼程流體阻力損失。殼程流體在非傳熱界面區(qū)域，如管間支撐物的局部處，形體阻力損失很小，而大部分的流體壓降可用來促進(jìn)傳熱界面上的流體湍流，從而在低輸送功的情況下，獲取較高的傳熱膜系數(shù)。如某廠應(yīng)用同種負(fù)荷的折流桿冷卻器與折流板冷卻器，折流桿冷卻器壓降減少到50%，設(shè)備總傳熱系數(shù)提高35%.因此在一定的雷諾數(shù)下，采用折流桿式冷卻器替代傳統(tǒng)的折流板冷卻器具有優(yōu)越性。

2.2管程數(shù)管側(cè)壓降隨著管程數(shù)的增加而明顯增加。而管程數(shù)增加影響到流速，并進(jìn)而影響傳熱系數(shù)。在湍流的條件下，管側(cè)的給熱系數(shù)和流速的0.8次方成正比，而壓降與流速的平方成正比。由此可知，管程數(shù)對(duì)壓降的影響要比傳熱系數(shù)影響大，因此可以找到一個(gè)合適的流速。既然管程數(shù)對(duì)壓降和傳熱系數(shù)有很大影響，為了提高傳熱系數(shù)，在壓降允許的范圍內(nèi)應(yīng)該盡量選用大的管程數(shù)。

2.3殼直徑殼直徑越小，所排的管子根數(shù)越少，相對(duì)來說流體流速越大，傳熱系數(shù)越高，壓降越大。從制造費(fèi)用來講，殼直徑越小，制造費(fèi)用越低，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量選用小直徑的殼體。

2.4殼側(cè)折流板間距幻折流板間距影響著殼側(cè)流體的流速和湍動(dòng)程度，從而影響著殼側(cè)壓降及給熱系數(shù)。殼側(cè)湍流時(shí)，給熱系數(shù)與流速的0.60.7次方成正比，而壓降同流速1.72. 0次方成正比。殼側(cè)層流時(shí)，指數(shù)對(duì)給熱系數(shù)變?yōu)?.33，對(duì)壓降變?yōu)?.0進(jìn)行。

表示了該設(shè)計(jì)方法。首先根據(jù)溫差校正系數(shù)Ft和進(jìn)行換熱的2流體之間的平均溫度差A(yù)tm，在假定傳熱系數(shù)的情況下，計(jì)算換熱面積Ai，在標(biāo)準(zhǔn)中選用與此面積相當(dāng)?shù)男吞?hào)。選用的原則是先選定最小殼徑最大管程數(shù)的型號(hào)。根據(jù)此型號(hào)計(jì)算管側(cè)壓降。如果該壓降大于規(guī)定的許用值，則選用小一號(hào)管程數(shù)的型號(hào)繼續(xù)計(jì)算壓降，直至滿足壓降要求。如果管程數(shù)等于1時(shí)，壓降仍然不能滿足要求，則需要加大殼徑，選下一個(gè)型號(hào)，再繼續(xù)計(jì)算直至找到滿足管側(cè)壓降要求的殼徑及管程數(shù)。接著計(jì)算殼側(cè)壓降，首先從最小折流板間距開始計(jì)算(折流板最小間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的1/5)。如果殼側(cè)壓降大于允許值，則增加折流板間距，再重新計(jì)算，直至殼側(cè)壓降滿足要求。如果當(dāng)折流板間距達(dá)到極值時(shí)，仍然無法滿足要求，則增大殼徑到標(biāo)準(zhǔn)的下一個(gè)序列，再重新按上面程序計(jì)算，直至找到合適型號(hào)的冷卻器，滿足傳熱和壓降的要求。

4應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)一氮肥廠折流板式主冷卻器。已知半水煤氣進(jìn)口溫度154°C，出口溫度261.9°C.變換氣進(jìn)口溫度380°C，出口溫度278°C.Q=868.89kW.假定冷卻器的管程與殼程的允許壓降均為5kPa，污垢系數(shù)為X6000，其換熱面積為80.6m2，核算該面積冷卻器。按照上述方法依次計(jì)算表中規(guī)格，計(jì)算結(jié)果見表1表1計(jì)算結(jié)果表規(guī)格面積/m2傳熱量傳熱速率管程壓降/kPa殼程壓降/kPa費(fèi)用/元根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，800X2000規(guī)格的冷卻器即可滿足要求。而同樣負(fù)荷要求下，實(shí)際冷卻器采用了1000X3000規(guī)格，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際需要，費(fèi)用增加58%，冷卻器的壓降變化不大。選用過大換熱面積，不僅增加了設(shè)備投資費(fèi)用，而且會(huì)減少流體的實(shí)際流速，從而造成污垢堆積嚴(yán)重。

5結(jié)論本文所采用的設(shè)計(jì)方法，可在保證換熱負(fù)荷和允許壓降的情況下，設(shè)計(jì)出固定費(fèi)用最少的冷卻器。