通道排列对板翅式换热器的影响

王晓芳

(河南汉诺顿换热器有限公司，河南开封 475002)

板翅式换热器由于优点独特，目前已在空气分离设备，乙烯、合成氨等石化设备，天然气液化和分离、氢氦液化、制冷空调等领域得到越来越广泛的应用。

1 板翅式换热器简介

板翅式换热器主要有以下特点:传热效率高、结构紧凑、结构轻巧、适用范围广。铝制板翅式换热器可在温度－273～120℃使用。适用于气—气，气—液，液—液不同工质的热交换场合，适用于多股流体介质的换热，最多换热的工质数可达12种，这是其它任何一种形式的换热器都不能替代的。

目前，随着铝制板翅式换热器用途的不断推广，它的发展也越来越迅速，设计压力也越来越高。目前国外生产的铝制板翅式换热器，最高设计压力已经达到了12 MPa，板束单体最大生产尺寸已达到10000 mm×1500 mm×1600 mm。国内生产的铝制板翅式换热器，其最高设计压力为8.0 MPa，板束单体最大尺寸为8000 mm×1300 mm×1300 mm，工作介质最多可达12种。

在空分装置中，板翅式换热器的应用相当广，主要有主换热器、液化器、过冷器、冷凝蒸发器、预热器、热虹吸蒸发器以及增压机后冷却器。板翅式换热器在整个空分装置中占据了相当重要的地位，其换热性能的好坏直接影响了整套空分装置的正常运行。

2 通道排列对换热器性能的影响

通道分配、排列是多股流板翅式换热器设计的关键，并对换热器的性能产生重大影响。如果通道分配、排列不合理，设计出来的换热器同一截面的温差较大，热负荷不平衡，存在大量的热量内耗，使得换热器既使有很大的后备系数，也无法达到设计指标。

通道分配与排列时一般应考虑如下原则:

1.尽可能做到局部热负荷平衡，使沿换热器横向各通道的热负荷在一定范围内达到平衡，以减小过剩热负荷与过剩热负荷的横向传导距离。其标志应是沿换热器同一截面壁的温度尽可能地接近。

2.通道的分配应使各个通道的计算长度基本接近，应使同一股气流在各个通道中的阻力基本相同，并低于控制值。

3.通道排列应该避免温度交叉，减少热量内耗。

4.同一股气流各个通道的翅片规格应该相同，这样使得同一股流体的各个通道的阻力基本相同，并使阻力低于控制值。

5.切换式换热器的切换通道的通道数应该相等，以免在气流切换时产生压力波动，而且切换通道在通道排列上应该毗邻。

6.通道排列原则上应对称，这不仅便于制造，而且受力情况也好，从强度方面考虑，最外侧的通道应布置低压流体。

通道排列时，对于气—气换热，如果两种流体的物性相差比较大，这时有两种通道排布方案可选，一是采用复叠布置，但两种翅片的高度相同，一是采用单叠布置，选用两种不同高度的翅片，根据实际计算结果去选取;对于气—液换热，应选用复叠布置。

3 HTFS-MUSE计算软件简介

HTFS-MUSE换热模拟软件是英国传热学会技术公司开发的，它采用先进的数学模型和计算方法对板翅式换热器进行传热及阻力计算。软件具有强大的物性数据库，是个功能很强的综合性模拟软件，它涵盖了石油化工、深低温、制冷等常见工艺流程换热设备的模拟计算。HTFS-MUSE软件具有不同的设备模型，在空分装置中的换热模型主要有:主换热器、过冷器、冷凝蒸发器、热虹吸和预热器等。流向分为顺流、逆流和错流，可以采用设计，校核和层与层模拟三种模式进行换热器的设计计算。可以利用不同的计算模型，以求得更为精确的计算结果。

HTFS-MUSE软件采用对话框的形式进行数据输入运算，给设计者带来了很大方便。HTFS-MUSE软件具有强大的运算功能，可以进行换热设备的概略设计、精确计算、通道排列、阻力校核、流体分配等。HTFS-MUSE软件通过运算可以生成温度曲线、压降曲线、通道热负荷分布曲线、通道排布等多种曲线，方便用户对计算结果进行分析判断。

4 案例分析

下面是运用HTFS-MUSE软件设计的一套1500 Nm3/h空分装置用主换热器，采用两种不同的通道排列方式，得出不同的设计结果。设计参数见表1。

表1 主要设计参数Table 1 Main design parameters

4.1 方案一:通道排列按各流体均布排列原则

4.1.1 通道排列

通道排列图见图1。

图1 通道排列图Fig.1 Channel arrangement diagram

4.1.2 主要计算结果

主要计算结果见图2。

4.1.3 通道热负荷分布曲线图

通道热负荷分布曲线图见图3和图4。

基本的通道排列图是基于物流的热负荷沿着它的层均匀分布的假设。一个好的通道排列所产生的ZIG-ZAG曲线是在零周围均匀震荡，一个差的通道排列，因为局部热负荷或冷负荷过载，所产生的ZIG-ZAG曲线将严重偏离零点。在HTFS-MUSE程序运行结果中，可看到沿着换热器长度方向，4个不同区域的ZIG-ZAG曲线图，由此曲线图可判断通道排列是否合理。图3是换热器整个长度方向上的通道热负荷分布曲线图，图4是沿着换热器长度方向，4个不同区域的通道热负荷分布曲线图。

图2 主要计算结果Fig.2 Main computing result table

图3 通道热负荷分布曲线图Fig.3 Channel heat load distribution graph

由图3通道热负荷分布曲线图可以看出，各流体在每个截面的热负荷基本上是平衡的，说明此计算通道排列是合理的。

图4 通道热负荷分布曲线图Fig.4 Channel heat load distribution graph

由图4可以看出，在换热器的中部以上，热负荷基本平衡，但是下段却有所偏离，这是因为整套空分流程组织造成的问题，是不能调整的。因为空分流程平衡计算要求一部分膨胀空气要从主换热器的中部引出进下塔，如果按上段热负荷平衡来处理的话，将导致换热器的下段热量减少，造成冷热负荷不平衡。这在实际运行中是不经济的，为了解决冷热负荷不匹配，减少能量内耗，实际工程设计中，常将膨胀空气的下部通道给空气，尽量使换热器的下段热负荷也均衡。通过现场空分运行数据的反馈，证明此方案是非常有效地改善下部流道分布不均匀的方法。

从以上各种曲线图和计算结果来看，主换热器的各状态点都在设计范围之内，证明此方案是合理的，通道排列也较合适。

4.2 方案二:通道排列各流体没有均布排列

4.2.1 通道排列图

通道排列图见图5。

图5 通道排列图Fig.5 Channel arrangement diagram

4.2.2 主要计算结果

主要计算结果见图6。

图6 主要计算结果表Fig.6 Main computing result table

从图6中可看出，换热器的计算长度为6734.36 mm，而前者计算长度为4328.87 mm，远远大于前者，故此方案不合理。

4.2.3 通道热负荷分布曲线图

通道热负荷分布曲线图见图7和图8。

图7 通道热负荷分布曲线图Fig.7 Channel heat load distribution graph

图8 通道热负荷分布曲线图Fig.8 Channel heat load distribution graph

5 小结

由图7和图8通道热负荷分布曲线图可看出，各流体在每个截面的热负荷严重偏离平衡值，说明此计算通道排列不合理。

由上面计算结果可以看出，如果通道排布不合理，将导致换热器的计算长度大大增加，冷流体出口温度达不到设计值，而且每个截面的热负荷都不平衡，增加能耗。故第二种方案是不合理的。

板翅式换热器由于其高效性、紧凑性、适用范围广等众多优点，而被广泛用在空分设备的换热系统中，尤其是其适用于多股流体介质的换热，是其它任何一种形式的换热器都不能替代的。

通道分配与通道排列是多股流板翅式换热器设计的关键问题，如果通道分配、排列不合理，设计出来的换热器同一截面的温差较大，热负荷不平衡，存在大量的热量内耗，使得换热器即使有很大的富裕系数，也无法达到设计指标。