枕型板冷凝器中的单向流动和冷凝(二）

4.2 流体动力学

在PPC设计中，压力损失的预测是至关重要的。对于表1所述的枕型板类型，Tran等人在2015年进行了内通道压力损失的实验研究。利用实验压力损失结果，推导了达西摩擦系数的相关关系式。测试了不同的形式，发现用Blasius摩擦因子相关相似的表达是最合适的。表1中所描述的枕型板类型的相关关系如下，表3中列出了参数i和j:

（2）

Table 3 Parameters i and j for Eq. (2)

由于压力损失是在沿枕型板分布的测量点上直接确定的，因此结果不包括流体通过进出口管进出板口而引起的局部压力损失。这样，导出的相关系数的几何可转移性更高，可以放心地用于具有不同于Tran等人(2015年)所使用的外部尺寸和进出口连接器的枕型板。如果整个装置的设计需要压力损失值，则需要一种适当的方法来确定附加的压力损失成分。目前，我们可以推荐在VDI(2010)中描述的方法。只要枕型板特定的方法(目前正在开发中)是不可用，这个建议就可以提供帮助。

在图7中，使用式(2)计算的压损失值与等效的常规管束几何形状所确定的压损失值进行了比较。粗糙度参数K = 0.2 mm用于与粗糙管束的比较。

当枕型板的几何参数与表1中给出的参数严重偏离时，实验关联的应用可能会出现更多问题。在这种情况下，可以由Piper等人(2017)针对大范围的枕型板类型和操作条件提出的Darcy摩擦系数的基于CFD的相关关系来支持。

对于PPC的外部通道，在2016年piper等人在湍流条件下进行了实验验证了CFD模拟，结果表明，与两个平板之间的等效间隙相比，传热增强伴随着显著更高的压力损失。为此，提出了一种基于结构变化的PPC修正方法。新的结构提出了一种焊点对波峰，而不是相邻枕型板的波峰对波峰，在这种结构中，板上的凸形和凹形正好彼此重叠，这就保证了板之间的通道更加均匀。这有助于显著降低压力损失，而只是略微降低传热效率(Piper et al. 2016)。

图7

5、冷凝段传热

冷凝阶段是冷凝器的一部分，大部分蒸汽在其中液化。PPC凝结阶段的传热用下面给出的例子来说明。

拜耳技术服务有限公司建立了PPC试点工厂，如图8所示(Tran et al. 2015c)。一台集成的顶部枕型板冷凝器(6片枕型换热板，尺寸：500X1800毫米，具体尺寸参照Table 4 )应用在氯苯且存在少量氮气，壳体外径为DN600。采用光纤测温技术对其中一个冷凝通道进行了轴向温度分布的测定。

图8

表5

利用该中试装置进行了冷凝实验。操作条件如表5所示。混合气体中的氮气体积分数相对较低，但随着其浓度的自然增加，它们对冷凝过程的影响越来越大。

Table 5 Operating conditions for the experiments carried out with the set-up depicted in Fig. 8

冷凝通道温度曲线的原始数据每80秒测量一次。图9显示了一小时平均值。沿凝汽器长度的特征值的波峰可以观察到，正如对原始数据的分析所示，它们只是略微依赖于时间。在每一次测量中，峰值的位置都是相似的。它们很可能是由纤维和壁面或冷凝物的局部接触引起的。在这些测量中，不凝性气体的体积分数较低，对进口区域的冷凝曲线没有显著影响。这反映在相同的温度值冷凝器的上部。在每个实验中，曲线的左平面部分的长度可以用来估计冷凝主要发生的传热面积。其次是一个区域，在该区域内发生气-蒸汽混合物冷却、残渣冷凝和冷凝物过冷。平均总传热系数 定义为

（3）

式中 为平均总传热系数， 、 分别为冷凝侧传热系数和冷却侧传热系数。 、 分别为板内和板外的污垢热阻， 为壁厚， 为枕型板的导热系数。 为总热流率， 为传热面积和为 对数平均温差。

图9

Table 6 Measured logarithmic mean temperature differences D#_m,ln and overall heat transfer coefficients u_m

因为换热器是全新的，两边的介质也都是新鲜的，所以两边的污垢热阻 和 可以忽略不计。对于中试装置的测量实例，表6总结了计算得到的对数平均温差 和总传热系数 。下标 表示从入口到出口的整个装置，下标 表示枕板冷凝段，该部分主要发生冷凝。这部分是根据图9近似确定的，可用于第一次估计。

利用 、膜凝结换热系数 的取值，可以计算出 如下：

（4）

然而，这需要知道冷却介质侧 的传热系数：

（5）

后者可以通过怒塞尔数来确定，如4.1节所示。

6、枕型板冷凝器的未来应用

不断增长的经济和生态挑战，使冷凝器机组的进一步强化成为必要，PPC也是如此。在这方面，PPC几何结构的修改和附加插入的使用为其改进提供了解决方案。在本节中，将讨论一些具体的示例。

6.1 插入额外部件

PPC与附加的，应用特定的插入有潜力提高能源效率和降低成本。

板上的焊点是整个枕型板结构的重要组成部分，对PPC的传热特性有重要影响。然而，通过焊接点的传热效率很低。Tran和Kenig在2016年提出了一种改进的换热器设计，尤其与PPC相关。新的设计提出了几种类型的应用特定的插入到现成的枕型板结构。枕型板的焊接点被刺穿，形成一个孔，插入物从孔中被拉出。这些插入物的作用是提供额外的冷却介质，增加比换热面积，改善板间外通道的流体动力学和换热特性。无论有无不可冷凝物的混合物，如果在这种改进的枕型板冷凝器中冷凝，浓度边界层就会变薄，这是有益的。此外，冷凝液的回收可以直接在冷凝器整个输送区域内实现，从而导致冷凝加剧。在其他结构和可交换的管可以用作插入物，作为最高比热传递面积的区域。利用结构管作为插入物，在冷凝器进口的特定去过热区域尤其有益，因为那里的传热强度较低，因此需要较大的传热面积。在这里，可能会填满结构元素之间空间的凝析油的量是无关紧要的。几种插入物的组合也是可能的(如双管)。内部构件可以适应特定的工艺条件和要求。

PPC设计的另一个发展是在板之间的外通道(Piper和Kenig 2017)安装挡板，可以提高热工液压效率。而在传统的PPC中，枕型板内部通道的流动可以通过纵向焊接形成的“挡板”来重新定向，而对于外部通道的流动却没有改善的办法。为此，提出了一种新的PPC修正方法，使外通道的流动也可以重定向。这提供了一个优化的流程配置整个热交换器，并可根据具体应用要求进行定制。新的流动配置是通过在枕型换热板组中各种挡板元件来实现，这提供了流动重定向的可能性，要么只在内部通道，要么只在外部通道，或者根据应用程序同时在两边。这一修改的优点是优化流配置(理想情况下为逆流)，平均流速的增加(这是很重要的,例如,应用程序与大量的非冷凝或强烈过热蒸汽)在这两个渠道导致传热增强，以及促进流分配外通道入口的PPC。这样的修改是可以的设计方法简单，易于组装和实现到现有的制造过程。

6.2 表面尺寸结构化

最先进的PPC通常是由光滑的不锈钢板材制成的。然而，传统的换热器，如壳管式或板框式换热器的经验表明：结构表面可以显著提高其性能。采用结构化的尺寸可以为PPC提供很大的改进潜力。在这种情况下，开发新的PPC制造方法可能是必要的，因为传统的生产方法只适用于光滑板材的加工。例如，表面结构可以显著增加板材的刚度，这可能会给传统的PPC液压成形技术带来困难。新的成形工艺似乎更适合在未来解决这一挑战(Djakow等人，2017)。