一种径向局部靶向调控叉流式换热器设计方法

技术领域

本发明属于涉及换热器技术领域，涉及一种径向局部靶向调控叉流式换热器设计方法。

背景技术

叉流式换热器广泛应用于转化炉、锅炉、裂解炉、加热炉、炼钢炉、废气催化焚烧炉、热风炉等工业领域。目前的叉流式换热器设计方法均采用分段设计的方法，即根据轴向方向的长度，将换热器均匀分为多段进行计算，设计出来的换热器沿轴向与径向方向均为均匀结构。在实际生产中，叉流式换热器的应用环境都是十分恶劣的，设备的运行工况经常发生波动，径向来流的流量及温度也不是整体均匀不变，导致每根换热管流量不均匀及受热不均匀。有些换热管之间相差不大，但有些换热管相差较大。导致换热器的局部某些换热管管壁温度过高，腐蚀情况严重，积灰较厚，甚至有些换热管被烧漏，影响换热器的使用寿命。

发明专利申请文件CN109959283公布了一种高温冷却器热力校核方法及系统，该发明获取冷却器进口参数及冷却器中换热管组的数量，其中每个换热管组包含多排管束；将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，将每排管束的出口条件作为下一排管束的入口条件，由此逐排计算各排管束的传热与压降。该发明在管内温度梯度计算时选取的基本单位过长，导致计算的温度梯度不精确，而且没有限制条件，对换热器的机构设计优化没有太大帮助，在径向方向上也没有考虑。

文章“基于Matlab的管壳式换热器分段计算研究”，介绍了一种分段的从流体物性沿壳体方向变化方面来对管壳式换热器进行整体的工艺设计及计算。该文章是针对以折流板结构为基础管壳式换热器，并没有考虑换热器各换热单元的流动不均匀及受热不均匀的情况，设计的换热器结构并不准确，降低了换热器使用的寿命。

发明专利申请文件CN106874661A公布了一种换热器热力设计方法，通过计算冷热流体的阻力-流量关系和冷热流体驱动装置的阻力-流量关系，替代传统的热力计算。该方法设计的换热器仍是均匀结构，且只考虑了单管阻力问题，并没有关注换热器总体上的差异。

发明内容

本发明针对现有的叉流式换热器设计计算方法的缺点，提出一种径向局部靶向调控叉流式换热器设计方法，对换热器径向方向进行精准调控布局，优化换热器的结构，设计出来的换热器使用寿命长。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种径向局部靶向调控叉流式换热器设计方法，包括以下步骤：

确定叉流式换热器参数包括：管长L、冷烟气流量、冷烟气进口温度、空气预计出口温度、冷烟气压强大小、强化换热结构形式等；根据管长L及换热量的大小，确定换热器的行程数量。

1)对各行程中的换热管采用均匀分段的算法，将换热管沿轴向方向，根据长度分为n段，10≤n≤20。已知第n段的空气出口温度T

2)对各段进行步骤1)的计算，求出各段的空气出口温度和烟气出口温度，直到第一段计算完成；对比第一段空气出口温度与实际环境温度之间的差值，如果大于3％，则调整换热结构参数；如果小于等于3％，则输出设计的换热结构参数，完成换热器的设计；

3)对于输出的换热器结构参数，确定其径向方向上各排换热管的强化换热结构的数量R

4)刨除步骤3)中出现破损的换热管上的强化换热结构，剩余强化换热结构数量为RZ

实际工况易出现腐蚀破损换热管的位置，是根据实际工况中原有换热器的腐蚀破损情况来判断。对于未知换热管的具体工况时，则一般将换热器中心的换热管作为易腐蚀破损位置，利用上述步骤3)和步骤4)的方法进行计算。按直径范围算，易腐蚀破损位置换热管的数量占总换热管数量的四分之一到三分之一。

所述的强化换热结构为管壁内外固定的翅片。

本发明软件编写具备以下功能的程序，基于换热器的均匀结构设计，保证径向换热强化结构总体不变的情况下，对均匀结构的换热器换热强化结构布局进行二次热阻调控，单根换热管仍然是均匀结构，但换热器整体为非均匀结构，加强自适应清灰，降低换热管的管壁温度，解决由于现场实际情况导致某些换热管损坏影响换热器使用寿命的问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种径向局部靶向调控叉流式换热器设计方法。解决了没有考虑换热器径向上换热温度存在差异的情况。通过本计算方法可在换热器效率不变的情况下，给出多种换热器径向的热阻布局方案，实现了换热器的局部热阻靶向调控，强化了局部换热管的强化换热结构的数量，使换热器整体变成非均匀结构，降低局部换热管的最高管壁温度，使管壁温度更加均匀，延长了换热器的使用寿命。

附图说明

图1是本发明单个计算段计算流程图；

图2为换热器径向均匀结构示意图(现有技术)；

图3为换热器径向局部靶向调控结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

见图1、图3所示，一种径向局部靶向调控叉流式换热器设计方法，包括以下步骤：

确定叉流式换热器参数包括：管长L、冷烟气流量、冷烟气进口温度、空气预计出口温度、冷烟气压强大小、强化换热结构形式等；根据管长L及换热量的大小，确定换热器的行程数量；强化换热结构为翅片。

1)对各行程中的换热管采用均匀分段的算法，将换热管沿轴向方向，根据长度分为n段，10≤n≤20，n如果小于10，则计算精度有些粗糙，如果大于20，则计算精度增加有限，增加了计算的时间。分段计算过程中，每一段的空气出口温度即为下一段的空气进口就温度，同理，每一段烟气出口温度即为下一段烟气进口温度。确定强化换热结构数量、管排数、管列数等结构参数。已知第n段的空气出口温度T

2)对各段进行步骤1)的计算，求出各段的空气出口温度和烟气出口温度，直到第一段计算完成；对比第一段空气出口温度与实际环境温度之间的差值，如果大于3％，则调整强化换热结构数量、管排数、管列数等结构参数；如果小于等于3％，则输出设计的换热结构参数，完成换热器的设计；

3)对于输出的换热器结构参数，确定其径向方向上各排换热管的强化换热结构的数量R

4)刨除步骤3)中出现破损的换热管上的强化换热结构，剩余强化换热结构数量为RZ

实施例：

以某钢厂大型厂已应用的加热炉换热器为例，空气流量为21000m

高温度烟气进口温度均为700℃，且考虑材料结构强度原因，采用的光管，无需调整强化换热结构分布。主要针对低温段的内翅片配外翅片的结构进行二次分布。因为低温段内翅片的焊接方式对管壁温度有要求，管壁最高温度不能超过300℃。径向上换热管数量为14根换热管，总的外翅片数量为3230片。正常计算完换热管的管壁最高温度全是260℃左右，但因为中心5根换热管流量偏大一些，会导致换热管的管壁温度变大，影响换热器的使用寿命，所以需要将中心5根换热管的管壁最高温度降低到220℃，保证换热器的安全长久运行。对中心5根换热管的热阻大小进行计算，给定外翅片数量的范围为175-220，步长为5，进行计算，求出当外翅片数量为210片时，管壁的最高温度降低到220℃。

剩下的外翅片数量为2180片，对剩下的14根换热管进行强化换热结构的二次分配。给定换热管上外翅片的数量范围为130-200片，步长为5，根据步骤4)进行计算，求出的最优各个换热管外翅片数量如下：135、140、145、155、155、165、175、175、170、170、155、150、150、140。