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管壳式换热器折流板缺口高度的优化点击：3856 日期：[ 2014-04-26 21:35:25 ] |
| 管壳式换热器折流板缺口高度的优化 王明军 时章明 李明辉 沈浩 (中南大学能源科学与工程学院，长沙410083) ［摘要］分析了换热器的折流板缺口高度，得到了当折流板的缺口高度改变时，换热器的换热和压力的变化情况。根据JF因子的大小，找到了折流板缺口高度变化时最佳的折流板缺口高度。 ［关键词］换热器;折流板;数值模拟;JF因子［中图分类号］T2051.5［文献标识码］A［文章编号］1008－5122(2011)05－0028－03 0·引言 在石油化工行业领域中主要采用的管壳式换热器，它以结构简单，设计制造工艺成熟，安全性较高以及适应性较强等特点占据主导［1］。采用强化传热技术对换热器进行设计，是提高换热器换热性能的重要手段，同时，这样对换热器提高能量利用率、节能降耗至关重要。而通过对换热器折流板的优化，也是对换热器进行强化传热的重要手段。本文以株洲冶炼厂制酸系统中转换工段所采用的管壳式换热器为研究对象，在保持各项物性参数和其他结构参数以基准工况的条件下，仅仅只对换热器的折流板高度进行改变。通过对其进行数值模拟，分析不同折流板缺口高度下壳侧流体流动状态，以及对压降的影响，综合分析了其对换热器整体换热性能的影响，运用JF评价因子的方法对不同折流板缺口高度下的换热器综合性能进行评价，最终确定出在基准工况下最佳的折流板缺口高度［2－6］。 1·换热器的优化设计方案 1.1基准工况及结构参数 本文所研究的换热器由20#渗钼钢加工而成，而烟气分为在管内流动的SO3烟气和管外流动的SO2烟气。烟气成分主要由SO2、SO3、O2、N2和H2 O蒸汽组成。 换热器基准工况为:壳程烟气进口温度为320℃、烟气流速为7.83 m/s，管程进口温度为544.5℃、烟气流速为9.32 m/s。 换热器的主要结构参数见表1。 本文保持折流板数目nb=3不变，所有的进出口条件和计算的设置和基准工况保持一致，只是对折流板缺口的高度进行改变。换热器处于基准工况时，换热器的折流板缺口高度为0.25D。分别取折流板缺口高度为0.2D、0.3D、0.4D和0.5D进行研究。 首先通过对上述折流板缺口高度下换热器的换热状况进行模拟，通过计算和分析，得出其换热系数和整体压降，然后通过采用JF评价因子的方法对不同折流板缺口高度下的换热器综合性能进行评价，确定出在基准工况下最佳的折流板缺口高度。 2·计算结果与分析 2.1计算结果 通过模拟计算，得到了在基准工况下，折流板缺口高度分别为0.2D、0.3D、0.4D和0.5D时换热器的管侧和壳侧平均温度及总体压降，如表2所示。 2.2结果分析 2.2.1折流板缺口高度对压降的影响 对换热器进行整体分析，当换热器折流板的缺口高度变化时，换热器总的压降变化如图1所示。随着折流板缺口高度的变化，换热器的整体压降变化并不是均匀的。当折流板的缺口高度从0.2D增加到0.3D时，总的压降减小了135 Pa;而当缺口高度从0.4D增加到0.5D时，总的压降却仅仅为49.51 Pa。由此可以看出，当缺口高度为0.2D时，换热器的总压降是非常大的，而当缺口高度增大到0.4D时，如果继续增大缺口高度，其总压降的减小幅度已经非常小了。 实际上，当折流板缺口高度以等差数值逐渐递增时，缺口处流动区域的面积是加速增加的。折流板的缺口高度从0.4D增加到0.5D，与从0.2D增加到0.3D相比，前者增加的流通面积要大于后者，而总压降减小的值却不是很大。可以得出，当折流板的缺口高度加大到0.4D时，流体的通道面积已经足够大了。 为了深入了解换热器内部压力分布情况，本文在4种不同折流板缺口高度的换热器内部分别选取了8个不同位置的测点(1－8)，各个测点的空间坐标依次是:(0，4 200，2 997.75)，(0，4 200，4996.25)，(0，65，4 966.25)，(－60，28，4 996.25)，(－60，－28，4 996.25)，(0，－65，4 996.25)，(0，－4 100，4 996.25)，(0，－4 100，6 994.75)。 经过计算得到了每个不同折流板缺口高度的换热器在所设定位置的8个测点的压力值，为了便于比较，以第8个测点的值作为基准，作为压力零点，绘制出的压力变化曲线图如图2所示。 从图2可以看出，当折流板的缺口高度为0.2D时，压力降低的幅度很大，而且压力损失主要分布在测点1、2之间和测点7、8之间的区域，也就是通过折流板缺口时的压力损失。为了明显起见，将流体通过2～8点的过程作为一个流动单元来分析。当流体通过折流板缺口时(7～8点)，其压降值占总压降的65%以上，而错流流动的压降值(测点2～7)则不到总压降的35%。当折流板缺口高度不断增大时，错流流动区域的压降值逐渐减小，但减小幅度不是很大;而折流板缺口处的压降变化幅度却急剧减小，特别是当缺口高度从0.3D增大到0.4D时，折流板缺口处的压降幅度己经变得非常小，大约仅仅占总压降值的8%左右。当继续增大折流板的缺口高度时，则对于压力变化并没有多大的影响。 2.2.2折流板缺口高度对传热系数的影响 从图3可以看出，随着折流板缺口高度的增加，换热器的总体换热系数在逐渐减小，这正是壳侧流体流动速度的减小引起的，而且总体换热系数几乎是均匀减小的。由前面计算和分析可知，当折流板的缺口高度从0.4D增大到0.5D时，总压降减小的幅度已经非常小，因此这个变化过程中的总体换热性能是减小的。也就是说，折流板的缺口高度从0.4D增加到0.5D是没有必要的。 3·最佳折流板缺口高度的确定 JF因子评价法是一种能够很好的兼顾换热器的换热和压力的评价方法，本文采用它来对优化后的换热器综合性能进行评价。其表达式为: 通过计算，得到优化结果。以h=0.2D的换热器为基准，则JF值随着折流板缺口高度h的变化如图4所示。 通过采用JF因子对优化后的换热器性能进行评价可以得出，当折流板缺口高度h=0.4D时，换热器的性能最佳，此时JF=1.022。也就是说，对于本文基准工况下折流板的数目nb=3的管壳式换热器，折流板应该选择一个缺口高度为0.4D的折流板。因为缺口高度h过小，压力损失会很大;而缺口高度h过大时，换热的效率又太低。 4·结论 (1)换热器整体压力损失随着折流板缺口高度的增加而减小，且这种减小的速度并不是均匀的。 (2)随着折流板缺口高度的增加，换热器的总体换热系数在逐渐减小，且这种减小的速度是接近均匀的。 (3)对于本文基准工况下的nb=3的折流板应该选择一个缺口高度为0.4D的折流板，如果缺口高度h太小，压力损失太大，如果h过大，换热的效率又太低。 ［参考文献］ ［1］秦叔经，叶文邦．化工设备设计全书—换热器［M］．北京:化学工业出版社，2003:1－4． ［2］Lutcha J，Nemcansky J．Performance improvement of tu-bular heat exchangers by helical baffles［J］．TransIChME，1990，68(A):263－270． ［3］邓斌，陶文铨．换热器壳侧流动与换热的数值模拟及实验研究［J］．西安交通大学学位论文，2003:6－10． ［4］刘敏珊，董其伍，刘乾．折流板换热器壳程流场数值模拟与结构优化［J］．节能，2005，10:3－5，16． ［5］Guo Lihua，Qin Guo，Chen Jiangping，et al．In fluence of geometrical factors and pressing mould wear on thermal-hydraulic characteristics for steel offset strip fins at lowReynolds number［J］．International Journal of ThermalSciences，2007，46:1285－1296． ［6］徐国想，邓先和，许兴友，等．换热器传热强化性能评价方法分析［J］．淮海工学院学报:自然科学版，2005，2(14):42－44． |
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