螺旋缠绕管式换热器
列管式换热器
新闻动态
蛇形管平行通道中高压气体的对流换热特性研究点击：1830 日期：[ 2014-04-26 21:35:51 ] |
| 蛇形管平行通道中高压气体的对流换热特性研究 常勇强１，杨震１，２，赵振兴１，郭琴琴２，曹子栋１ （１．西安交通大学能源与动力工程学院，７１００４９，西安；２．上海锅炉厂有限公司，２００２４５，上海） 摘要：在高温加压的条件下研究了膜式蛇形管平行通道换热器的对流换热特性，试验气体为Ｎ２，试验工质的压力为０．５～３ＭＰａ．提出了不同冲刷形式、不同压力下的具体换热系数计算方法，同时给出了典型冲刷形式的对流换热关联式及其适用条件．试验研究表明：冲刷形式对换热系数有很大影响；单通道与多通道的换热系数是面积加权平均的关系；在相同的换热条件下，膜式蛇形管平行通道换热器的换热系数高于蛇形管平行通道换热器；相同温度条件下随着压力的升高，换热系数升高，但升幅逐渐减小． 关键词：高压气体；膜式蛇形管；平行通道；对流换热 中图分类号：ＴＫ１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５３－９８７Ｘ（２０１１）０３－００５３－０５ 蛇形管换热器是一种结构简单、操作方便的换热器，在现代化工和石油化工中广泛应用［１］．国内外学者对蛇形管换热器也进行了广泛的研究，清华大学的赵镇南等［２］通过试验测试得出不同浓度乳状液在蛇形管道内对流换热的Ｎｕ和摩擦系数，并给出了换热和阻力的关系式；清华大学的孟勐等［３］利用可视化研究和数值模拟分析得到了蛇形弯管内的速度分布和换热特性；Ｎａｔｈａｎ等［４］利用ＣＦＤ软件，采用常壁温和常热流的热边界条件对有半圆截面的蛇形通道内充分发展的层流换热进行了热力特性研究；Ｓａｎ等［５－６］通过数值分析和在缩小的模型上进行试验，得到蛇形管换热器的换热效率是传质单元数、比热容及换热矩形管数的函数，指出在一定的比热容和换热管数时，换热器的换热效率随着传质单元数的增加有先增大后减小的趋势，同时利用热力学第二定律对矩形通道的蛇形管进行了换热特性研究；Ｃｈｏｉ等［７］在有直角弯头的蛇形通道内，利用ｋε－模型研究了湍流换热特性．目前，锅炉的过热器和省煤器及余热锅炉的热流回收装置等广泛采用蛇形换热器，所以研究高温高压下膜式蛇形管换热器的换热特性具有重要意义． １·试验装置和试验方法 气化炉产生的煤气是一种多组分气体，其成分包括ＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、Ｎ２和ＣＯＳ等，其中ＣＯ和Ｈ２的体积分数约为５０％～６０％和２５％～３５％．ＣＯ和Ｈ２的物性对合成气的传热特性的影响占主要地位，然而ＣＯ和Ｈ２是有毒、易燃、易爆气体，考虑到试验的安全性，本试验采用物性类似的安全气体Ｎ２代替ＣＯ作为试验气体，对膜式蛇形管平行通道换热器进行了换热研究． １．１ 试验系统 本文研究在西安交通大学的试验台上进行，图１为试验系统．整个试验系统分为气侧系统和水侧系统，包括试验段、回热段、冷却段、加热器、压缩机等部分，试验测量仪器采用ＥＡ－３型热电偶、ＬＵＧＢ型应力涡街流量计、ＫＤＬＤ电磁流量计、ＧＲＴ型压力变送器和ＩＤＣＢ－１数字采集系统． １．２ 对流受热面的结构形式 本试验选择对流受热面为膜式蛇形管平行通道形式，如图２所示，该平行通道由３组（分别为上、中、下片组）相同的膜式蛇形管片组成，试验气体在膜式蛇形管组间和管组与换热器壳体之间的通道内流动，冷却水在蛇形管内流动，换热器具体尺寸见表１．由于工程中应用平行通道换热器时采用的管组是大于等于３组的形式，而流体在平行通道内流动只有两种形式，一种是上片和下片换热器进行单侧冲刷换热的形式，另一种是流体对中片换热器的双边对称冲刷形式，因此在试验中选用３组相同的膜式蛇形管组换热器形式进行换热试验． １．３ 试验方法 如图１所示，试验系统为一带有回热设备的闭合回路，试验时由高压气瓶在压缩机入口的管路上向系统充气，到达一定的压力后使之流动．利用可控电加热器对气体进行加热，试验段进口温度达到试验要求后开始采集试验数据，试验段的蛇形管内由水泵提供冷却水吸收试验气的热量．每一气体工况均从常压开始进行试验，利用电加热器控制试验温度，试验时每０．５ＭＰａ为１个试验工况，每个工况的温度变化范围为１５０～４５０℃，压力变化范围为０．５～３ＭＰａ． ２·对流换热试验数据处理方法 试验中蛇形管和膜式蛇形管平行通道换热器的定性尺寸ｄｅ取蛇形管的直径［８］．试验中蛇形管和膜式蛇形管平行通道换热器的换热面积按蛇形管的光管换热面积计算，即计算每一片换热器蛇形管的长度与蛇形管外圆周长的乘积［９］ Ｓ＝πｄｌ（１） 式中：Ｓ为换热面积，ｍ２；ｄ为蛇形管外径，ｍｍ；ｌ为蛇形管的总长度，ｍｍ． 雷诺数的计算式为 Ｒｅ＝ρｗｄｅ／μ（２） 式中：ρ为环形通道平均温度下的工质密度，ｋｇ／ｍ３；ｗ为环形通道内的最大流速，ｍ／ｓ；ｄｅ为环形通道的当量直径，ｍ；μ为环形通道平均温度下工质的动力黏度，Ｐａ·ｓ． ３·结果与分析 ３．１ 压力对蛇形管和膜式蛇形管平行通道换热系数的影响 图３和图４给出了压力对两组平行通道换热系数的影响．从图中可以看出，在相同温度下，换热系数随压力的增大逐渐增大，但其增大的幅度逐渐变小，中片换热器的对流换热系数要大于上片和下片换热器的对流换热系数．这是因为上片和下片换热器受流体非对称冲刷导致换热能力较弱造成的． ３．２ 横向节距对平行通道对流换热的影响 对不同横向截距下蛇形管和膜式蛇形管平行通道分别对应的３组在３００℃时的试验数据进行整理，得到换热系数与压力的变化关系，其对比结果如图５和图６所示． 从图５和图６可以看出，相同压力和温度下，６组换热器的对流换热系数随压力的变化趋势相同，试验条件下横向节距减小，对流换热系数增大．由此推断，通过增大压力和减小横向节距来提高换热器的热效率是可行的，但并不是压力越大、横向节距越小越好．在生产实践中，要考虑到压气设备及承压设备的投资及在生产压力下的气化效率，还要考虑气体的洁净度是否会堵塞流通通道，进而得出更为高效的工作压力和合理的流通截面积． ３．３ 蛇形管和膜式蛇形管平行通道换热系数对比将具有相同横向节距的蛇形管和膜式蛇形管在ｔ＝３００℃时的对流换热系数进行对比，结果如图７所示． 从图７可以看出，在相同的温度下，膜式蛇形管比蛇形管的对流换热系数大，增幅最多可达３０％．由此可见，膜式蛇形管可以很好地强化传热、缩小设备面积，达到既节省材料又节约能源的目的，而且在该系统中，蛇形管加膜可以降低气体冲刷给蛇形管带来的的磨损，所以在条件和技术允许的情况下，应尽可能的采用加膜结构． ３．４ 蛇形管和膜式蛇形管平行通道换热关联式 在对流换热研究中，以已定准则的幂函数形式整理试验数据的实用方法取得了很大的成功，如［９］ 本试验采用关联式（３），这是由于试验条件下试验气体均远离临界点，不会发生相变，在纯气相条件下，温度对Ｐｒ的影响很小，Ｐｒ变化不大，故试验关联式中不考虑Ｐｒ的影响． ４·不确定度分析 试验结果的准确性主要依赖于试验部件的加工精度和测量设备的精度，由于试验设备加工精度的问题，换热面积的不确定度为２×１０－６ ｍ２，加热器功率的不确定度为３％． 由所用的测量仪器可知，热电偶的不确定度为０．１℃，压力传感器的不确定度为１．４％，流量传感器的不确定度为０．１８％．通过最终计算可得Ｎｕ和Ｒｅ的不确定度为４．２％和３．４％．由于在换热器中气体温度可高达４５０℃，故存在辐射换热，通过计算，气体及壁面的辐射换热量最大为其总换热量的２．７％． ５·结 论 （１）本文在加压条件下研究对流换热特性，通过对０．５～３ＭＰａ的气体进行对流换热特性的试验研究，获得了蛇形管和膜式蛇形管平行通道换热器的试验关联式，其适用范围为雷诺数３．９×１０３～３×１０５、压力０．５～３．５ＭＰａ． （２）压力对换热系数存在影响，相同温度下随着压力的升高，换热系数升高，但升幅逐渐变小． （３）试验条件下横向节距减小，对流换热系数增大，两组试验数据的对比结果显示，在相同温度、相同雷诺数条件下，第２组的换热系数较第１组大１．１倍左右． （４）在相同的条件下，膜式蛇形管比蛇形管的对流换热系数大，增幅最多可达３０％，而且在该系统中，蛇形管加膜可以降低气体冲刷给蛇形管带来的的磨损，所以在条件和技术允许的情况下，应尽可能采用加膜结构． （６）试验条件下拟合的关联式与试验数据间的误差范围在１０％以内，所得换热关联式是每一片换热器换热关联式的面积加权平均． 如前所述，现在大多数气化炉的对流废锅等余热回收装置及蒸汽发生装置采用这种形式的换热器，所以本试验研究对工程上该种形式换热器的设计方法和制造技术具有一定的指导意义． 参考文献：略 |
| 上一篇：应用遗传算法优化设计管壳式换热器 | 下一篇：换热器CAD系统的分析与设计 |