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板间距对花板换热器综合性能影响的实验研究点击：1858 日期：[ 2014-04-26 21:14:34 ] |
| 板间距对花板换热器综合性能影响的实验研究 赖学江1谢爱霞1戴勇2黄素逸2 （1.广东海洋大学，湛江524005；2.华中科技大学，武汉430074） 摘要：介绍了花板管壳式换热器的结构及设计思想。通过实验研究表明，在相同壳程流量下，板间距为 134mm时，换热器的传热系数K是板间距为163mm、147mm、123mm时的102%~110%；壳程压降Δp则约为板间距为 163mm、147mm、123mm时的97%~105%；而综合性能K/Δp比板间距为163mm、147mm、123mm时高3%~9%，本实验认 为最佳板间距存在于134mm~147mm之间。 关键词：花板换热器 板间距 实验研究 文章编号：1005-9598(2009)-05-0029-03中图分类号：TQ051文献标识码：A 引言 管壳式换热器的强化传热主要分为管程强化传热和壳程强化传热，而壳程强化传热一直是研究的重点。为了进一步提高换热性能，国内外设计出了多种 结构和形式的管壳式换热器。在管壳式换热器中，流 体在壳程有返混流和柱塞流两种形式，柱塞流的换热有效度明显优于返混流。在弓形折流板结构下，流体流过任何一块折流板都会产生返混流，折流板后滞止 区内流体返混情况更加严重，因而传热温差较低。为了获得较好的综合换热效果，流体的流动应该更接近于柱塞状流动，即流体更多的是轴向流动而非径向流动。壳程流体以螺旋状流过，其流动只有很少的返混，几乎没有死区，更接近柱塞流，同时由于受到离心力 作用，流体流过换热管后，会形成脱离管壁的尾流，使 边界层得到充分分离，因此换热效果较好[1]。为了节能及节材，迫切需要改变传统的折流板结构形式。己有的研究表明，不同螺旋角的螺旋折流板其传热和阻 力性能各不相同，但总的来说，螺旋折流板的压降远 小于弓形折流结构，传热性能与弓形相当或略有降低，综合传热性能要优于弓形折流板[2~4]。但螺旋折流 板安装复杂，基于螺旋流和柱塞流的设计思想，本课题组设计了一种新型壳程支撑结构的换热器-花板 换热器[5]。思路是借助花板的错位排列使壳程流体呈 螺旋状流过，花板上若干孔径比换热管外径略大，拉杆起花板定位的作用，将花板组合起来，通过壳体两端的导流筒，使壳侧流体一方面纵掠管束，另外又不停地反复改变流动方向，从而使传热得以强化。 1 实验研究 本文对花板间距的长短进行实验研究，所用实验测试对象由广东茂港电力设备厂生产制造。计算的换 热器壳体尺寸为Φ159mm×5mm，换热管尺寸为 Φ16mm×0.8mm，24根，换热管长为1 473mm，换热管外 径16mm，内径14.4mm，管间距20mm，拉杆直径12mm，拉杆数目4个。实验中，对4种不同板间距的花板换热器进行了研究，其花板数分别为8、9、10和11，对应的板间距分别为163mm、147mm、133.6mm、123mm，其中布管方式均为正方形排列。 2 实验结果及分析 表1~表4所示为管程速度为1.00m/s时4种板间距下花板换热器的实验数据，图1、图2、图3分别表示花板数为8、9、10以及11时花板换热器在相同壳程体积流量下的传热系数K，壳程压降Δp，综合性 能K/Δp的比较图。其中，传热系数K是换热器的总 传热系数，压降Δp为壳程的总压降，包括了壳侧进、 出口管嘴的流动压降、花板引起的压降、没有支撑物 时管束上的压降3个部分。由图可见，在相同壳程流量下，花板数为10时花板换热器的传热系数K是花板数为8、9、11时102%~110%；壳程压降Δp则约为花板数为8、9、11时的97%~105%；而综合性能K/Δp比 花板数为8、9、11时高3%~9%。 从结果中可以看出，当花板数为9、10时，花板换 热器的传热系数K比花板数为8、11时要高，说明花 板数为11块时，由于花板之间过于紧密，花板旋转角 度大，导致流体在壳程内的旋转程度不够，流动不够充分，存在流动死区。而花板数为8块时，花板换热器 由于花板间距过大，同样使得流体在壳程内的旋转程 度不够强烈，使得流体的紊流程度不够。因此，按照本 实验所用花板换热器的尺寸参数，花板数为9时板间 距为147mm，花板数为10时板间距为134mm，因此最 佳板间距存在于134mm~147mm之间。文献[7]指出，在 实验条件下，18°螺旋角的螺旋折流板换热器的单位 压降的传热系数比12°、30°、40°高。本次实验的结果 预示，可减小花板旋转角度，如从目前的90°减小到 60°、45°等，以加强壳程内流体的旋转程度，找出不同 旋转角度与换热器传热和流阻性能的关系是下阶段 的研究工作。 3 花板换热器的特点 3.1管外流体的流动阻力减少 在花板换热器中，由于花板的开孔按一定角度偏 转，流体一边旋转，一边纵向流过壳侧，改善了流体流 动的环境，消除了流体在壳侧流动时流向的突变，局 部阻力大为减少，相同流量下流体的压降大大降低， 从而减少了泵功。从节能的角度看，花板换热器具有 很好的经济性。 3.2换热器综合效能提高 由于花板换热器有效地减少了流体的流动阻力， 因此，在管侧流速相同的情况下，壳侧流量相同时，虽 然传统单弓形折流板换热器总传热系数K比花板换 热器总传热系数K高些，但是压降Δp则远比花板换 热器高。因此综合比较K/Δp，花板换热器的K/Δp比 折流板换热器的K/Δp要高10%~30%[6]。 3.3使用寿命长 由于流体的纵向流动，使得流体诱导振动及对换热管的破坏作用等得到了改善。同时，花板换热器壳程流体的流动方式避免了传统垂直弓形折流板换热器中出现的流动死区，强烈的湍流使得换热器不易结垢。这些优点大为减少了换热器的维修工作量，延长了花板换热器的使用寿命。 参考文献： [1]王秋旺.螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究 进展[J].西安交通大学学报，2004,38(9)：881-886. [2]Lutcha J,Nemcansky J．Performance Improvement of Tubular Heat Exchangersby Helical Baffles[J]． Chemical Engineering Research and Design，1990，68,Part A：263-270. [3]Stehlik P,Nemcansky J，Kral D，et al.Comparison of Correction Factors for Shell and Tube Heat Ex- changers with Segmental or Helical Baffles[J]． Heat Transfer Engineering，1994，15(1):42-55. [4]Kral D,Stehlik P,Van der Ploeg,H J,et al.Heli- cal Baffles in Shell-and-tube Heat Exchangers， Part I：Experimental Verification[J]. Heat Transfer Engineering,1996,17(1):93-101. [5]李炜炜，赖学江，黄素逸．一种新型壳侧支撑结构的 管壳式换热―花板换热器的实验研究[J].《中国科技 论文在线》学报，2007,2（3）：186-192． [6]赖学江，戴勇，黄素逸．花板换热器与折流板换热 器的对比实验研究[J].化学工程，2008，36(12)：14- 17. [7]杨军，陈保东，孙成家．螺旋与弓形折流板换热器 性能对比及螺旋角优化[J].辽宁石油化工大学学报， 2005，6（2）：59-62. |
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