大型空分设备板翅式换热器偏流问题分析

  板翅式换热器是一种被广泛应用的高效、紧凑式换热器,多用于大型空分设备。随着空分设备大型化,配套换热器总体积逐渐增大,单个换热单元截面积增大,换热单元数也增多。例如,目前为60000 m3/h空分设备配套的主换热器共由20台换热器组成,每台截面尺寸为1250 mm×1250 mm。这容易引起一些换热器偏流问题,使换热器传热效率大大降低。换热器本身的设计、制造和管道布置都会引起偏流,下面就这两点加以讨论。

    1　换热器的设计、制造

    尽可能避免偏流,提高换热器换热效率,是节能降耗的需要。偏流是由于换热器内部阻力不同而引起的流道内流量不同,流道内部阻力越大,流经的流量就越少,以达到进、出口压力均衡。设计单台换热器需考虑宽度方向和厚度方向的气流均布问题,尽可能使每个流道对称布置。在同层流道内,宽度越宽,越要合理设计导流片,使得流体在宽度方向的任一处流道长度都一致,这样才能保证气流在宽度方向均布。在换热器厚度方向,封头形状的设计、进出口管位置的布置、接管的大小都会引起厚度方向同种流体各层之间流量不均匀。在换热器内部,翅片是板翅式换热器的关键零部件,对整台换热器的传热性能和流动性能起决定作用。影响这两个性能的因素很多,主要为翅片的厚度偏差、成形及钎焊质量。

    1·1　材料厚度偏差引起的流动阻力偏差

    翅片厚度偏差虽然引起的单位传热面积差别不大,但对流体的流动阻力影响较大,易引起偏流,从而影响换热性能。现以下面一组数据来说明:同等规格(等翅高、等节距、同类型)翅片名义厚度为0·2 mm的铝箔,当材料厚度偏差为&pmn;0·03 mm时(根据GB/T 3880·1—2006标准要求),翅片流动阻力大小可相差19·63%;当材料厚度偏差为&pmn;0·015 mm时(根据HTA 2631—2008标准要求),翅片流动阻力大小可相差9·38%;当材料厚度偏差为&pmn;0·01 mm时,翅片流动阻力大小可相差6·16%。

    根据 种流动阻力偏差所制成的翅片,用于为大型空分设备配套的多台并联换热器,势必存在较大的偏流问题,由此引起的流体偏流量可达9·4%,严重影响换热性能。为保证换热器的性能,若仅考虑此因素,设计余量应不小于9·4%。根据第三种流动阻力偏差所制成的翅片,其引起的流体偏流量只有3%。对应此种翅片,考虑偏流问题(两者相差6·4%)所需设计余量可以降至3%。可见在材料订货和验收时,应严格控制翅片材料的厚度偏差。

    同时在翅片的生产管理方面,尽可能做到同一台换热器使用同一批材料加工。因为同一批材料的厚度公差基本相同,所以用其加工的翅片尺寸公差也容易接近,达到减少零件尺寸公差的目的。如果同一台换热器使用不同批次的材料生产翅片,其尺寸公差不同,导致每一层的翅片高低都不一样,难以实现每一层的流体流量相同。因此,在生产过程中应考虑这一因素对换热器效率的影响,尽量做到同一台换热器使用同一批材料加工,至少做到同一种流体使用同一批材料加工的零件。同样材料定点供应,也是减小偏流的重要措施之一。流动阻力偏差值影响流体的流动,在大型空分设备配套多台换热器并联使用的情况下,会产生严重偏流,这不仅使换热器整体阻力增加,而且严重影响其传热性能。

    1·2　翅片制造误差引起的偏流

    (1)刀具安装问题,尤其是翅片高度上的误差,会使换热器每一层的流动截面不完全相等;翅片节距不完全相等,同样使流体流动截面不相等。

    (2)由于刀具磨损,新刀具和旧刀具所冲制的翅片摩擦因子f值会不同。当冲制的翅片f值与新刀具的差值大于标准范围时就应更换刀具。应确定刀具的合理使用寿命,“刀具不损坏不换”的状况不允许存在。

    (3)控制新刀具的质量。由各个新刀具加工出来的翅片f值相差很大,这主要与刀具本身质量和刀具安装有关系。因此建议严格控制刀具的检验及刀具安装间隙等影响翅片性能的要素。

    1·3　钎焊工艺的影响

    钎焊是决定板翅式换热器翅片尺寸变形量的关键工艺。要保证流体分布的均匀性,同一种流体的每一层通道,其翅片尺寸的变形程度也要求均匀。也就是说,不管这股流体的通道在换热器的什么部位,都要求有一样的翅片尺寸变形量(热变形量)。每一层翅片的高度,不仅受零件制造误差的影响,而且在更大程度上受制于钎焊工艺。

    首先,在钎焊过程中,由于温度在产品的各个方位上不可能完全相等,因此产品的热变形程度在产品的各个方位上也不相同,温度高的地方,钎料流失得多;更重要的是,此处零件比温度低的地方热变形量大,使通道高度变低。

    其次,翅片热变形量在很大程度上受压力的制约,由于产品的夹紧力相同,因此产品本身的重量对热变形的影响很大。重量影响是由上而下逐渐增加的,产品 上部的重量影响仅是零件本身的重量影响,而下部的重量影响则是整个产品所有零件重量叠加形成的影响。所以产品 上部的一些通道层的翅片所受压力小、热变形量小;而产品 下部的一些通道层的翅片所受压力大、热变形量也大。这种由于翅片所受压力的不同而造成的变形不等,严重影响了通道流通截面的均匀性。有时温度高低的影响和重量大小的影响正好成叠加关系,即温度高的地方刚好重量也 重,因此变形量 大。

    在钎焊过程中,如何控制工件的 上和 下部的同种流体通道,创造相同的翅片热变形量的条件(温度、压紧力及组合的影响),还需要深入研究,这也正是钎焊工艺技术高低的具体体现之一。

    2　管道布置

    外围管道布置合理对换热器的偏流影响不容忽视, 的布置方式是换热器进、出口管完全对称布置,其次是进、出口管U形布置, 差是进、出口管Z形排列。现以3台和4台换热器并联使用为例,分析管道布置对换热器偏流的影响。换热器进、出口管布置形式如图1所示。

               

                

                   图 1　换热器进、出口管布置形式

    假设: A管截面积为Sa,流体密度为ρa; B管截面积为Sb,流体密度为ρb; 001#~003#换热器是设计参数相同的3台并联换热器,流体(流量为1 g/s)从A管进、B管出。状态能E包括热力学能(U)、动能(1/2mC2)和位能,这里不考虑热力学能,则点1~点6处的流体线速度Cf、质量m、动能和位能见表1。

    进、出口管U形布置和Z形布置的换热器两端位能差见表2。



    换热器两端的位能差直接影响流体通过换热器的流量。若换热器在同种流体下的阻力相等,则由于进、出口管位能差的不等而使并联的3台换热器流量不等,位能差大的流量就大;反之则小,形成偏流现象。

    某6000 m3/h空分设备换热器某流体进、出口位能差的对比见表3。由表3可知,并联换热器的U形布置位能差 大值和 小值相差47·9669 J,而Z形布置位能差 大值和 小值相差79·81 J,两者相差66%左右。

    同理,可以得出4台换热器并联的位能差,见表4。并联换热器的U形布置位能差 大值和 小值之间相差47·5632 J,而Z形布置位能差 大值和 小值之间相差80·9732 J,两者相差70%左右。

              

    通过3台与4台换热器并联的情况比较,可以得出:进、出口管Z形布置换热器的偏流率大于U形布置的偏流率,但无论是U形布置还是Z形布置,每台换热器都存在位能差,这就必然导致偏流,并且随着换热器并联台数的增多,位能差值增大,偏流也越来越大。

    为使每台并联换热器的位能差尽可能接近,在U形布置中,一方面可保持进、出口集气管中的流体流速一致,使3台或更多台换热器的位能差为0。在设计空分设备用换热器时,需扩大热端管径或缩小冷端管径来达到这个效果。扩大管径给管道布置增加难度,缩小管径则使管道阻力增大,设计时两者需达到某个 值。另一方面,可使用不等径的集气管,进气端直径大,随着集气管中流量减小,其直径也逐步减小,使各换热器进、出口处的流量与速度基本接近。在换热器并联台数较多的场合,这样的集气管布置方式对减少偏流很有意义,而且行之有效。

    3　结束语

    由于造成换热器偏流的因素很多,设计、制造、翅片材料偏差、成形及钎焊等任一环节出现问题都可能导致换热器内流动阻力不一致而产生偏流,所以应该建有一整套科学、合理的测试、检验方法来保障换热器的总体质量。特别是对于换热器管道布置,一方面由于空间、位置等条件的限制,不能达到进、出口管对称布置,应优先选择U形布置,避免使用Z形布置;另一方面,当为大型空分设备配套的多台换热器并联使用时,需要根据管道布置,计算出每点的位能,然后根据换热器内部实测的气阻值,合理搭配换热器的排布,可以有效减少偏流,提高换热器的传热效率。