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螺旋隔板换热器研究进展点击：2085 日期：[ 2014-04-26 21:36:04 ] |
| 螺旋隔板换热器研究进展 金 弋 (广州汽车集团乘用车有限公司,广东广州 510700) 摘 要:从强化传热与减少流动阻力两方面介绍了当前几种典型管壳式换热器及其特点,特别对螺旋隔板换热器的研究进展进行总结分析,指出了该类型高效管壳式换热器发展的主要方向。 关键词:螺旋隔板;管壳式换热器;强化传热;流动阻力 中图分类号:FQ051. 5 文献标识码:A 文章编号:1004-8901(2009)02-0043-03 换热器广泛应用于化工、钢铁、发电、制冷、航空航天、汽车、食品等行业。换热器种类繁多,传统的壳管式换热器在各领域中仍占据重要地位,尤其在高温或有腐蚀性介质的工况中更能体现其结构坚固、适应性强、选材广、易于制造、成本低、处理量大等优势,但传统的壳管式换热器单位体积的传热面积较低,传热系数不高,难以满足生产要求。因而,换热器强化传热技术的研究越来越得到业内人士的重视,并研究开发出螺旋板换热器,笔者就其研究进展简述如下。 1·几种典型管壳式换热器 1.1 弓形隔板换热器 传统的壳管式换热器大多采用弓形隔板支撑,流体的流态见图1。 这种形式换热器存在以下缺点[1-5]:①流体在壳程呈“Z”形流动,造成在隔板和管壁相连处存在流动死区,导致传热系数下降;②流体在弓形隔板间分离所引起动量的急剧变化,造成压力的严重损失;③在隔板与壳体或(和)管之间旁路流和泄漏流现象严重,降低了流体的有效质量流速。为了克服以上缺点和改善流体在壳程的传热性能,逐渐发展出了一些新的管间支撑结构,主要有以下几种。 1.2 折流杆换热器 折流杆换热器是美国菲利浦公司20世纪70年代研制出的一种以折流杆代替隔板的换热器,其可减小天然气流体的诱导振动,折流杆示意见图2。支撑杆杆端均焊接在折流圆环上,折流杆组由4种不同布置方式的折流杆构成,并由支撑杆建立无阻碍的流道,形成了以纵向为主的流动区,因而具有良好的热力—水力性能。因其壳程具有与管程流动基本相同的对流传热机理,加上支撑杆形成的涡流流动和折流环区的文丘里效应,故折流杆换热器的热力性能优异。因壳程不存在横向流动的阻力,也无来回流动的反向效应,故其壳程压降较低,可应用于单相、沸腾和冷凝各种工况[6, 7]。 1.3 螺旋扁管换热器 螺旋扁管换热器也是一种纵向流换热器,其管程由圆管轧制或椭圆管扭曲成具有一定导程的螺旋扁管,其壳程内由相邻管长轴处的点接触来支撑管子,省掉了隔板。壳程流体受离心力作用而周期性改变流速和流动方向,加强了流体的轴向混合。同时,流体经过相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流,增加了流体自身的湍流度,破坏了流体在管壁上的传热边界层,从而强化了传热。螺旋扁管换热器的流动特点见图3。螺旋扁管换热器也可应用于单相、沸腾和冷凝各种工况[8-10]。 1.4 螺旋隔板换热器 螺旋隔板换热器是20世纪90年代发展起来的新型换热器结构,并由ABB公司于1994年实现了产业化。连续螺旋隔板见图4,螺旋隔板换热器流态见图5。其基于这样一种思想:通过改变壳侧隔板的结构和布置,使壳侧流体呈连续螺旋流动。通常采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋隔板),在壳侧形成近似的螺旋面,使换热器中的壳侧流体产生连续的螺旋状流动,以达到有效地降低壳侧流动阻力及强化传热的目的[11]。 2 螺旋隔板换热器研究进展 曾文良[12]以现场的压缩空气为介质,分别对螺旋隔板花瓣管与低肋管换热器的传热和流阻性能进行了实验研究,结果表明,花瓣管比低肋管具有更优越的传热性能。在同等的传热量下,螺旋隔板花瓣管换热器的气侧传热系数比螺旋隔板低肋管换热器高出20% ~50%,其压力损失比低肋管低30% ~40%。 张正国[13]比较了螺旋隔板花瓣管油冷却器和螺旋隔板低肋管油冷却器的传热和压降性能。实验结果表明,螺旋隔板花瓣管油冷却器与螺旋隔板低肋管油冷却器相比,总传热系数提高10%以上,而压降却降低了46%左右。张[14]将螺旋隔板花瓣管水冷壳管式油冷却器与弓形隔板光滑管水冷壳管式油冷却器进行了性能比较。结果表明,螺旋隔板花瓣管油冷却器的总传热系数是弓形隔板光滑管油冷却器的4~5倍,具有非常好的传热性能。张[15]还研究了R407C在螺旋隔板花瓣管冷凝器中的传热特性。在实验条件下,该冷凝器的总传热系数可超过3 000W /m2·K,证明了螺旋隔板花瓣管冷凝器能显著地强化R407C的冷凝传热。张[16-18]也对螺旋隔板花瓣管单管换热器的不同花瓣管几何参数进行实验和数值计算,实验结果证明,花瓣管的翅高与间隙对换热系数有一定影响。 赵晓曦[19]以柴油为介质,实验研究了螺旋隔板菱形翅片管换热器的传热性能,实验结果表明,在雷诺数为3 280~12 680的范围内,螺旋隔板菱形翅片管换热器的壳侧传热膜系数要比螺旋隔板光滑管换热器提高了54% ~108%。随着雷诺数的增加,提高的幅度更大,具有较好的强化传热效果。壳侧流体流动的阻力系数在实验范围内比螺旋隔板光滑管换热器降低了30% ~50%,具有优良的传热与流阻性能。 陈世醒[20]在高黏度流体下对螺旋隔板换热器和普通的弓型隔板换热器进行了对比实验研究,并对实验数据进行了关联,得到了螺旋隔板换热器壳程对流传热系数的近似计算模型。实验结果表明,对高黏度油品,相同流量下单位压降的壳程对流传热系数,螺旋隔板约为弓型隔板的1. 5倍,显示螺旋隔板换热器不仅适用于低黏度流体,也可用于高黏度流体。张克铮[21]等以水为传热介质,比较了螺旋隔板换热器与普通的弓型隔板换热器传热性能,并对实验数据进行了关联,得到了螺旋隔板换热器壳程对流传热系数的近似模型。实验结果表明,对水这样的低黏度流体,相同流量下单位压降的壳程对流传热系数,螺旋隔板约为普通隔板的2. 4倍。 王素华[22]用激光测速仪详细测量了螺旋隔板换热器的流场特性,着重研究了旋流角对速度分布和脉动速度的影响及其与流量的耦合关系,并详细分析和讨论了速度分布对换热性能及阻力的影响。该实验中的模型换热器采用有机玻璃制作,壳体尺寸为200 mm×6 mm×3 000 mm(外径×壁厚×长度),换热管外径为15 mm,共52根,均匀布置。螺旋角取30°, 35°, 40°, 42°4种。实验介质为常温下自来水,流量范围为3~20 m3/h。结果表明:随着螺旋角的减小,切向速度分量增大,脉动速度也相应增大,有利于换热;流量增加使速度沿径向分布趋于均匀,但螺旋角减小,流动损失也随之增加,尤其在螺旋角小于35°以后,流动损失增加幅度加快。综合考虑,建议使用螺旋角为35°。 杨军[3]对螺旋角为12°、18°、30°、40°的螺旋隔板换热器进行了传热和压降性能测试。应用英国传热协会的Tasc3软件对弓形隔板换热器的运行情况进行了模拟,得到了相应结构下的总传热系数和压降值。在相同流量下,比较了不同螺旋角的螺旋隔板换热器与弓形隔板换热器在单位压力降下的总传热系数,同时对12°、18°、30°、40°螺旋角的螺旋隔板换热器的壳程膜传热系数及压降进行了对比研究。结果表明,实验用12°、18°、30°、40°螺旋角的螺旋隔板换热器的总传热系数比弓形隔板换热器高59. 48%以上。研究表明,实验条件下, 18°螺旋角的螺旋隔板换热器的综合传热性能优于12°、30°、40°螺旋角的螺旋隔板换热器。 吴国辉[23]对断续螺旋隔板与普通弓形隔板壳管式换热器的传热与流阻特性进行了实验对比研究。结果表明:将断续螺旋隔板应用于壳管式换热器能明显增强换热效果,在相同流速下壳侧换热系数是弓形隔板换热器的1. 39~1. 67倍,断续螺旋隔板换热器的总传热系数是弓形隔板换热器的1. 15~1. 37倍,但阻力有所增加,壳侧阻力是单弓形隔板换热器的3. 25~3. 67倍。 3·结语 (1)随着强化传热理论的研究,高效传热管与壳程的强化传热以及流动阻力的减少是今后换热器研究和开发的一个重要方向。 (2)在强化传热的同时,必须考虑强化传热会带来流动阻力的增加,因此,应综合考虑强化传热与流动阻力,开发出高质量、低成本、高效率、低流阻的换热器,为节能减排提供先进的换热设备。 参考文献: [1]曾舟华,钱颂文,岑汉钊,等,管壳式换热器壳程弓形折流板传热死区流体介质滞留现象研究[J].制冷, 1995, 52(3): 10-14. 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