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管壳式换热器强化传热技术的研究与进展

点击:2059 日期:[ 2014-04-26 21:39:24 ]
                   管壳式换热器强化传热技术的研究与进展                                  罗朝阳        (湖北省荆门市四方工程建设监理有限责任公司,湖北荆门448000)     摘要:综述了管壳式换热器壳程内管束支撑结构的发展概况,管束支撑由传统的弓形折流板到各种形式的折流杆、整圆形孔板、空心环、管束自支撑和螺旋折流板等,不但提高了换热器的整体传热性能,同时还大大降低了壳程流动阻力。     关键词:换热器;传热系数;折流     管壳式换热器又称列管式换热器,是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面,不如其它新型换热设备,但它具有结构坚固、操作弹性大、适应性强、可靠程度高、选材范围广、处理能力大、能承受高温和高压等特点,在换热设备中始终占有约70%的主导地位。     管壳式换热器是当前应用最广、理论研究和设计技术完善,运用可靠性良好的一类换热器,目前各国为改善该换热器的性能对其强化传热技术开展了大量的研究。【1】管壳式换热器的研究和发展主要表现在两方面:一是新型高效传热管(如螺纹管、横纹管、波纹螺旋管、缩放管、绕丝花环管、异形翅片管)等的开发和应用,以强化管程传热。二是管束支撑结构的变化,使壳程流体流动状态发生变化,主要是从横向流变成纵向流和螺旋流,以提高传热效率和降低壳程阻力。     管束支撑是管壳式换热器中的扰流元件,直接影响壳程的流体流动和传热性能,是提高壳程传热系数的关键部件,因此大多数壳侧强化换热研究都侧重于壳侧支撑结构的改进和创新,从最初的折流板,到20世纪70年代出现的折流杆,以及后来开发出的整圆形孔板、空心环、螺旋折流板及管子自支撑等一系列新型壳侧支撑结构,都在围绕着壳侧强化换热这一课题进行,而且还在继续。     1·折流板支撑     传统的管壳式换热器多采用弓形折流板支撑管束,是目前使用范围较广的一种壳侧支撑结构,其特点是使流体横掠管束以提高壳侧换热系数,这种结构应用时间长、技术也比较成熟,但是这种支撑结构和流体流动方式将使流动阻力增加,并伴随有流体诱导振动发生,导致换热管磨损甚至断裂,同时壳侧流动存在冲刷不充分的流动死区,造成换热系数下降,容易结垢等问题。     针对上述缺陷,各国学者开发出了圆盘形、多弓形等折流板结构形式,在一定程度上改善了单弓形折流板的缺陷。     2·折流杆支撑(见图1)                     折流杆换热器壳体内的折流元件由一系列细小的折流杆组成,杆两端焊于环圈上,相互平行的折流杆和折流圈统称为折流栅,折流栅以一定的间距、一定的排列方式布置在壳体内。     折流杆换热器的特点是使流体由横掠管束改为纵掠管束,由于折流杆对流体的扰动作用,流体流过折流杆后产生的漩涡脱落,以及流过折流圈时的文丘里效应,以及在后面产生的漩涡尾流,大大提高了传热系数。另外,换热管与折流杆之间为点接触或线接触,接触面积小,传热面积充分,消除了”传热死区”。由于改横向流为纵向流,流动阻力大为减小,壳程压降很小,其缺点是折流栅和折流笼的制造和安装比较麻烦,而且只有在大流量及高流速的场合才能体现其优良的性能。【2】                     折流栅的抗震性能与折流杆的刚性有关,当换热器壳径较大时,为确保折流杆具有足够的刚性同时不影响换热器的布置,胡明辅等提出了用“扁钢支撑条”代替“折流圆杆”的新型抗震折流栅。【3】     早期的折流杆换热器都采用正方形排列,因而不管是圆杆还是扁钢条都是直线形,为了采用布管数较多的三角形排列,学者们开发出了波浪形圆杆或扁钢条组成的折流栅。【4】     3·整圆形孔板     将开有不同形状孔的整圆形折(见图2)流板代替了传统的弓形折流板,孔板上开有管孔和流体导流孔,流体流经导流孔时形成小孔或贴壁射流,对周围流体产生卷吸作用而发生局部混合,从而在较低雷诺数下使流体离开孔口后形成湍流,并减薄射流区域的传热边界层,既强化传热,又有抗垢和除垢作用,适用于中、低粘度流体及雷诺数不太大的场合。     整圆形折流板的缺点是结构复杂,加工困难,制造成本高。传统的整圆形孔板有五种结构形式:大圆孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状。近年来为了简化了换热器的制造,在大管孔的基础上略微修改了它的支撑形式,采用交替使用一侧管壁支撑的方式开发出了偏心孔板。     为了强化换热和简化了换热器的制造,华中科技大学能源与动力工程学院黄素逸教授等人开发了一种新型整圆形孔板——花瓣孔板(见图3),即只在圆形隔板的四个象限的某一象限或两个象限(最多三个象限)上开有管孔,作为管束支撑,而未开管孔的象限则是空的,或钻有很大的孔,作为流体的通道。花隔板交替布置,相邻两块隔板的空缺部分相差一个相同的角度,这种结构就可以使流体在纵向流动的同时发生偏转以达到强化换热的目的。【5】     4·空心环     将小直径金属短管(即空心环)(见图4)以一定的间隔布置在换热管束同一截面上以代替折流栅,从而支撑管束并促进流体扰动。空心环支撑往往与强化管组合使用,其特点是壳侧空隙率大、压降小,可使壳侧流体的大部分输送功作用在强化管的粗糙表面来促进近壁流体湍流,取得较好的传热效果。     5·自支撑管     为简化管束支撑,提高紧凑度,近年来开发出了刺孔膜片管、螺旋椭圆扁管和变截面管等自支撑管。刺孔膜片管(见图5)的特点是刺孔膜片既是支撑元件,又是管壁的延伸,增加了单位体积内的有效传热面积;膜片上的毛刺和小孔增大了流体湍流度,各区间的流体经小孔有一定程度的混合;刺和孔使换热表面的边界层不断更新,减薄了层流底层厚度,从而提高了换热系数,壳内流体纵向流动,压降很小【6】;     螺旋椭圆扁管(见图6)是一种双面强化管,由圆管轧制或由椭圆管扭曲而成,靠相邻管突出处的点接触支撑管子。流体在管螺旋面的作用下呈螺旋运动,流速和流向发生周期性变化,加强了流体的轴向混合和湍动程度,同时加强了管内、外传热;壳程流体流经相邻管子的螺旋线接触点形成脱离管壁的尾流,增大了流体本身的湍流度,破坏了管壁上的流体边界层,从而使壳体传热得到增强;螺旋椭圆扁管主要用于强化高粘度流体的层流换热【7】。     变截面管(见图7)是将普通圆管用机械方法相隔一定间距并互成一定角度轧制出扁管形状的管子。变截面管靠变径部分的点接触互相支撑,同时又组成了壳程部分的扰动元件。其结构简单,且是双面强化管,最大弱点是管内阻力太大。【8】     6·螺旋折流板     螺旋折流板(见图8)换热器突破了壳程介质Z形折返的传统方式,采用若干四分之一壳程横截面的扇形管组装成螺旋状折流板,分单螺旋折流板和双螺旋折流板两种。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度,使介质自壳体进口向出口呈螺旋状推进。介质在壳体内连续平稳流动,避免了大斜度折返带来的严重压力损失,具有低压力降特点,故可用不同角度调整流通截面,使提高流速成为可能。螺旋折流板基本消除了弓形折流板的返混现象,提高有效传热温差,螺旋通道内的柱状流的速度梯度影响了边界层的形成,使传热系数有了大幅度的提高;基本不存在流动与传热死区,尤其适宜于处理含固体颗粒、粉尘、泥沙等流体。如氮肥厂的造气系统等。【9】                      早期使用的螺旋折流板都是连续型的,但对于大型换热器来说,螺旋支撑元件加工困难,使用全螺旋支撑时穿管难度很大,因而近年来出现了断续型螺旋折流板并对其传热及阻力性能进行了研究。【10】为了保证在降低压力的同时提高传热系数,辽宁石油化工大学陈世醒又提出了一种特殊形式螺旋折流板,使换热器的换热与阻力综合性能得以提高,从而达到节能与节材的目的。【11】     为了近一步简化结构,东南大学梅娜等提出了螺旋折流片管束自支撑换热器,在部分管子上套上螺旋折流片,不仅强化传热,而且对相邻管子形成支撑,制造难度和成本大大降低,【12】     7·结语     在管侧换热性能已经得到较大改善的情况下,提高壳侧的换热性能即壳侧支撑结构的改进和创新是各种新型换热器研究的重点。总体来说,各种新型管束支撑使壳程流体呈现不同的流动状态,其共同点是都能有效地强化壳程换热效果,且流动阻力比弓形折流板大幅度减小,但是大部分结构复杂,制造困难,成本高,制约了新型管束支撑换热器的推广和应用。     将新型管束支撑结构简单化,降低成本,并将之与高效强化管有效结合是今后换热器发展的一个重要方向。 参考文献 [1]方运惠,童军杰.管壳式换热器传热强化及技术进展[J],应用技术,2006;3(3):89-91 [2]吴金星,董其伍,刘敏珊等.纵流式换热器的研究进展[J],化工进展,2002;21(5):306-309 [3]胡明辅等.折流栅抗震型换热器结构及其抗震特性研究[J].压力容器,1999;16(2):16-19 [4]严良文,王志文.一种新型纵向流管壳式换热器管束支撑结构[J].压力容器,2003;20(4):20-22 [5]吴金星,魏新利,董其伍,刘敏珊.花瓣孔板纵流式换热器的研发及试验研究.2008;22(2):205-209 [6]周理,安福,徐越平.刺孔膜片式高效管壳式换热器的壳力特性研究[J].化工学报,1992;43(5):599-608 [7]黄德斌,邓先和,王扬君,等.螺旋椭圆扁管强化传热研究[J].石油化工设备,2003;32(3):1-3 [8]江南,李伟军,任佩琳.变截面管换热器传热与阻力性能[J].石油炼制与化工,2001;32(6),33-36 [9]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):882-886 [10]吴国辉,黄渭堂,孙中宁.断续式螺旋折流板在管壳式换热器中的应用[J].应用科技,2005;32(4):45-47 [11]陈四醒,张振华.一种特殊形式的螺旋折流板换热器[J].辽宁石油化工大学学报,2005;25(1),61-63 [12]梅娜,陈亚平,施明恒.螺旋折流片换热器壳程传热与流动的数值模拟[J].工程热物理学报,2005;26(2):310-312
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