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并流多通道进出口管壳式换热器壳程传热性能比较点击：1965 日期：[ 2014-04-26 21:35:53 ] |
| 并流多通道进出口管壳式换热器壳程传热性能比较 曾文良1, 2,李喜玉1,邓先和1 (1.华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州 510640;2.衡阳师范学院功能金属有机材料湖南省普通高等学校重点实验室,湖南衡阳 421001) 摘要：对一种新型并流多通道进出口结构的壳程轴流管壳式换热器壳程局部传热性能进行实验研究,在有分布挡板与无分布挡板的情况下,分别对进口段局部努塞尔数Nu的分布、局部平均Nu的分布、以及换热器整体的传热和阻力性能进行了比较与分析。研究结果揭示了壳程进口段的局部表面Nu的分布规律,并给出了合理的机理分析。结果表明,分布挡板不但能够有效促进壳程流场和局部Nu的均匀分布,而且能够提高整体传热性能,且阻力增加较小。 关键词：传热性能;管壳式换热器;并流多通道进出口;分布挡板 中图分类号：TQ 051. 5;TK 172 文献标识码：A 文章编号：1005-9954(2010)04-0012-05 为了对壳程结构的优化与改进、新型壳程支撑结构的开发、以及新型强化传热元件的应用,迫切需要了解换热器壳程的局部传热性能及其分布,因此,研究换热器壳程的局部传热性能具有非常重要的意义。尽管由于管壳式换热器壳程结构的复杂性,自20世纪50年代以来,对其局部传热性能的研究从未中断过,但是基本上集中在弓形隔板换热器,而且大多研究有一个共同的特点,其得到的结果一般是局部平均值,很难得到真正意义上局部传热系数[1-6]。随着工业生产装置的大型化和超大型化的发展,换热器直径不断增大,而长径比(L/D)将减小,特别当L/D≤2. 0时,将会导致壳程流动分布严重不均,压降急剧增加,传热与流阻性能急剧恶化等问题[7-9]。针对这些问题,邓先和等[10]提出了一种壳程并流多通道的进出口结构(MPC),曾文良等[11]提出在进出口位置安装流体分布挡板的办法予以解决。本研究项目就是对这种具有MPC结构的轴流管壳式换热器壳程的局部传热性能进行研究,重点研究进口段的局部表面传热性能,以及挡板对换热器性能的影响,从而为大型、超大型轴流管壳式换热器的工程设计提供数据来源与依据。 1·研究对象的描述与简化 具有壳程MPC结构轴流管壳式换热器的外观结构如图1所示。这种结构是采用多块纵向挡板将换热器壳程管束分隔为多个平行的流动通道,再通过横向挡板将无管束之间的通道切断,以防止进出口流体短路。流体在进口通道截面的流动路径如图2所示。由图2可以看出,采用这种MPC结构,流体进出传热区域的流路明显缩短,壳程流体在换热器进出口段横穿管束的数量显著减少,因此在很大程度上,克服了由于换热器L/D的减小以及D的显著增大而带来的种种不利因素,特别是压降急剧增大问题。 通过图1和图2可以看出,当采用这种壳程MPC结构,任一通道流体的流动路径基本相似,因此只需要选取具有典型代表意义部分进行研究,为了简化研究对象并确保实验可行,选择如图2中所示的典型单元区域进行研究,实质上就是将研究对象转化为一个较小的矩形轴流管壳式换热器。文献[11]研究表明,对于这种MPC型的换热器,布管区域的宽度在220—400 mm比较合适,其对应的管排数在7—14,因此本实验的管排数选择为9排,为了消除壳体边界的影响,选择传热管束的层数为4层,只对中间管束进行实验,故有规格为25mm×2.5mm×1 000mm的传热管共(4×9)根管束的布置方式为30mm×30 mm的正方形排列,因此,实验对象的外形尺寸为120 mm×270 mm×1 000 mm的矩形轴流管壳式换热器,其外观与布管如图3所示,图中数据单位为mm。 2·实验部分 2.1 实验原理 在稳态下,假设管外壁温为To,管外流体温度为T,管内壁温为Ti,故有管外表面传热系数ho为 式中:Ri,Ro分别为传热管的内、外半径,m;λ为管壁材料的导热系数,W /(m·K)。 因此通过在PP-R(无规聚丙烯)传热管外表面嵌入热电偶,测量管外壁温、管内壁温以及管外气体的温度,经式(1)计算出气体在换热器管束间的局部表面传热系数。采用Hot-Disk的TPS2500导热系数测定仪对PP-R传热管的材料分别在20℃和80℃下测试其导热系数,分别为0. 210 4W /(m·K)和0. 211 5 W /(m·K)。对式 (1)进行误差分析,最大相对误差为5. 11%。 2.2 实验装置 实验流程如图4所示。通过图4的实验装置,逐一对图3中No.1—No. 9的管束,在有挡板和无挡板情况下的进口段局部传热性能进行实验测定,挡板的结构与参数按照文献[9,11]中的优化模型进行设计。 传热管上热电偶的具体分布位置如图5所示,图中数据单位为mm。传热管总长度为2 000 mm,其中实验段长度为1 000mm,在实验段区域中,选取如图5中所示的A-A,B-B,C-C,D-D,E-E,F-F,G-G等7个截面,其中截面A-A,B-B在进口区域内,截面G-G在出口区域内,其流体主要以横向冲刷为主,而截面C-C正处在轴向流动与横向流动的转换过程之间,在截面A-A,B-B,G-G,C-C对称的半圆周上均匀布置7对热电偶。截面D-D,E-E, F-F主要为轴向流动区域,在其对称的半圆周上均匀布置3对热电偶。 6实验过程中,通过蒸汽锅炉产生饱和蒸汽,锅炉蒸汽出口压力控制在0.01MPa(g),在实验管的末端安装一疏水阀,以便及时排出传热管内的冷凝水,空气流量用迪形管测量管道内空气的平均动压头,动压头和压差均采用精度为1. 0%且分辨率为0. 1 Pa的差压传感器进行测量,用变频器调节空气流量。实验中所有温度均采用经过标定的精度为0. 1℃且规格为0.2mm的T型热电偶进行测定,实验中数据均采用HP34970数据采集仪进行在线自动采集。 3 结果与讨论 3.1 进口段局部表面传热系数 图6和图7分别是进口段截面A-A和B-B的局部表面努塞尔数Nu的分布图。从图6可以看出,在截面A-A上,沿着流体流动方向,当夹角θ在0—π/2变化时,局部Nu随着θ的增大而增大,而当θ在π/2—π变化时,局部Nu随着θ的增大而急剧减小,并趋向稳定。这是因为在进口段,流体主要以横向冲刷管束的方式流动,当θ从0开始增大时,流体在管束表面的流速随之增大,当θ=π/2时,流体流通面积达到最小,也就是流速达到最大,故此时Nu亦达到最大,而当θ在π/2之后进一步增大时,由于流速的减小与管束表面的流动边界层的增厚,使得表面Nu又急剧减小并趋于稳定,这一现象在管束No. 1和No. 2表现得最为明显。然而仔细比较不同管束Nu的分布,可以发现随着管束序号的增加,Nu的变化趋势亦有一定的改变,其主要表现在以下几个方面:①Nu的增大与减小幅度变小了;②Nu出现最大值时的位置前移了,即θ=π/3时Nu将出现最大值,并维持一段平稳的空间;③最后一排管束的Nu将出现波浪变化。以上这些细微的变化对于无挡板的情况表现得更加明显。 比较图6(a)和(b)的变化关系,可以看出安装流体分布挡板后,局部Nu的分布出现了几个细微的变化:①Nu比无挡板情况下要提高;②不同管束之间Nu的变动幅度比无挡板时要小;③同一管束Nu沿θ的变动比无挡板时要大。这主要是因为通过安装流体分布挡板,壳程流体的分布更加均匀,入口段横向流动的速度明显增加,而轴向流动速度显著减少。通过图7可以看出,截面B-B局部Nu的变化趋势和基本现象与截面A-A一致,但仔细比较图6与图7亦可以看出一些细微的变化,主要表现在截面B-B局部Nu比截面A-A要高,一般高出5%以上。这主要是因为在截面B-B处,流体的流动更加复杂,轴向成分比截面A-A所占的比例要高。有关不同Re下,局部Nu分布规律基本与图6和图7一致,也就是说在实验范围内,Re对Nu分布的影响很小,因此将不再重复讨论。以下将对不同管束序号的局部平均传热性能进行分析。 3.2 局部平均表面传热性能 进口段不同管束的局部平均Nu的分布如图8所示。通过图8可以看出,在相同Re下,随着管束序号的增加,无挡板时的Nu减小幅度较大,而安装分布挡板时的Nu减小幅度明显放缓。同样可以看出,在无分布挡板情况下,Re越大,曲线的斜率越大,也就是Nu的减小幅度越快;而在有分布挡板的情况下,曲线的斜率基本与Re的变化无关。这说明了当Re增大时,无挡板情况下的流体分布不均现象不断加剧,而对于有挡板的情况影响很小。以上情况说明了采用挡板能够有效促进壳程流场和Nu的均匀分布。为了更好地分析挡板对换热器总的传热与流阻性能的影响,以下将从传热与流阻性能的变化进行分析。 3.3 换热器整体传热与流阻性能 换热器的平均Nu和总的阻力性能比较分别如图9—10所示。 图10中的阻力系数ξ定义如下: ξ=2Δp/(ρ·u2) (2) 式中:Δp为总压降,Pa;ρ为流体密度, kg/m3;u为平均流速,m/s。 通过图9可以看出,在相同的Re下,有挡板的Nu比无挡板情况下提高10%左右,而且提高幅度随着Re的增大而不断增大。通过图10可以看出无论是换热器的总压降还是阻力系数,有挡板时均比无挡板时升高10%左右。 如果只比较Nu和阻力性能,似乎二者相差几,但是由于采用挡板以后,壳侧的局部Nu分布更均匀,由于Nu的分布均匀在一定程度上提高了换器的换热效率,本质上就是减少传热过程的不可逆失[12]。因此综合传热与流阻性能分析表明,分布板有利于流体的二次分配和提高换热器换热效率。 4 结论 (1)揭示了换热器进口段的局部表面传热系数分布关系,并给出了适度的机理解释与分析。 (2)通过局部传热性能的比较,不但可以看出不同管束局部平均传热性能的变化关系,亦可看出流体分布挡板可以有效促进壳程流体的分布,促使局部Nu的分布均匀化。 (3)通过整体传热性能与流阻性能的比较,可知采用流体分布挡板同时使得总Nu和压降均升高10%左右,但是由于Nu分布均匀化,可以有效提高换热器的换热效率。 参考文献：略 |
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