波纹板换热器
新闻动态
MPC轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能点击：1902 日期：[ 2014-04-26 21:54:16 ] |
| MPC轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能 曾文良 邓先和 李志武 (华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640) 摘 要：对一种具有并流多通道进出口结构(MPC)的轴流管壳式换热器的壳程局部传热性能进行实验研究,分别在有壳程进口段分布挡板与无分布挡板的情况下,探讨了进口段局部表面传质努塞尔数的分布、局部平均表面努塞尔数与管束位置及雷诺数的关系,分析了进口段和换热器整体的平均传质努塞尔数与雷诺数的变化关系,揭示了壳程进口段的局部表面努塞尔数的分布规律,并进行了机理分析.研究结果表明,分布挡板能够有效促进壳程流场的分布,提高换热器壳程的整体传热性能. 关键词：局部传热系数;轴流管壳式换热器;分布挡板;并流多通道进出口 中图分类号：TQ051·5 do：i 10. 3969/.j issn. 1000-565X. 2010. 02. 004 换热器的传热管长度(L)由生产工艺条件决定,而换热器的壳体直径(D)由生产能力决定.随着工业生产装置的大型化和超大型化发展,换热器直径将不断增大,长径比(L/D)将减小,当L/D≤2·0时,将会导致壳程流动分布严重不均、压降急剧增加及传热与流阻性能急剧恶化等[1].针对这些问题,邓先和等[2]提出了一种壳程并流多通道进出口结构(MPC);Zeng等[3]提出了在进出口位置安装流体分布挡板的办法。 管壳式换热器壳程结构复杂,自20世纪50年代以来,人们对其局部传热性能的研究从未中断过,但是基本上集中在直接接触方法方面,而这类方法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[4-8].然而,壳程结构的优化与改进、新型壳程支撑结构的开发及新型强化传热元件的应用,均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重要的意义.文中针对具有壳程并流多通道进出口结构的轴流管壳式换热器的壳程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,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依据。 1 实验部分 1. 1 实验对象 壳程MPC轴流管壳式换热器的外观结构如图1所示.这种结构采用多块纵向挡板将壳程管束分隔为多个平行的流动通道,然后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.流体在进出口通道截面的流动示意图见图2.由图2中可以看出,由于采用了并流多通道进出口结构,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的问题。 由图1和2还可以看出,当采用这种壳程并流多通道进出口结构时,任一通道的流体流动形式与路径基本相似,因此只需选取具有典型代表意义的部分进行研究即可.文中选择图2中所示的典型单元区域进行研究,实质上是将研究对象转化为一个较小的矩形轴流管壳式换热器. 考虑到工程实际情况与实验条件,这种并流多通道换热器管束排数一般为7~14,文中实验研究对象的管排数为9.为了消除壳体边界的影响选择传热管束的层数为4,只对中间管束进行实验,故换热器的总传热管为36根,管束的布置方式为30mm×30mm的正方形排列,管束外径为25mm,管束长度为1000mm,因此实验对象的外形为120mm×270mm×1000mm的矩形轴流管壳式换热器,其外观与管束布置分别如图3(a)和(b)所示.其中,图3(b)中No. 1~No. 9为实验对象. 1. 2 实验原理 稳态下,管内壁面对管外壁面的热量传递可以简化为一维的传热问题,图4为截取传热管外壁面的任一无穷小单元体积,假定这一单元体积的下表面温度为T,上表面(即管外壁面)温度为To,w,管外流体温度为Tc,管内壁温度为T,i w.对图4所示的微小单元体积做能量平衡计算, 通过在PP-R(无规聚丙烯)管外壁面嵌入热电偶来测量管外壁温度、管内壁温度以及管外气体的温度,由式(3)计算出气体在换热器管束间的局部表面传热系数.分别在20和80℃下采用Hot-Disk的TPS2500导热系数测定仪测试PP-R传热管的材料导热系数,测量结果分别为0·2104W /(m·K)和0·2115W /(m·K).对上述实验方法进行误差分析,最大相对误差不大于5·11%. 1. 3 实验装置 实验装置示意图如图5所示,通过此实验装置逐一对换热器各排管束局部表面传热性能进行测定,具体测量管束位置见图3(b).分别对有进口分布挡板(有挡板)和无进口分布挡板(无挡板)情况下的进口段局部传热性能进行实验,挡板的结构参数按文献[5]中的优化模型设计.传热管上热电偶的具体分布位置见图6,传热管总长度为2000mm,其中实验段长度为1000mm,在实验段区域中,选取如图6中所示的A—A、B—B、C—C、D—D、E—E、F—F、G—G7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过渡区.因此在截面A—A、B—B、G—G、C—C对称的半圆周上,均匀布置7对T型热电偶;截面D—D、E—E、F—F主要为轴向流动区域,因而在其对称的半圆周上均匀布置3对T型热电偶. 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(表压),在实验管的末端安装一疏水阀,以便及时排干传热管内的冷凝水.采用迪形管测量管道内空气的平均动压头,将动压头换算为平均流速,从而测得空气流量.动压头采用精度为1·0%且分辨率为0·1Pa的差压传感器进行测量,同时用变频器调节风机转速,进而调节空气流量.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,实验过程中的数据均采用HP34970数据采集仪在线自动采集. 2 结果与讨论 2. 1 局部表面传热系数 图7为Re=28600时,进口段截面A—A的局部表面Nu的分布图,其中,u为气体冲刷管束的速度.由图7中可以看出,在截面A—A上,沿着流体流动的方向,当θ在0~p/2之间变化时,局部表面Nu随着θ的增大而增大;当θ在p/2~p之间变化时,局部表面Nu随着θ的增大而急剧减小,并趋向稳定.这主要是因为在进口段,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=p/2时,流体的流通面积达到最小,即流速达到最大,故此时的Nu亦达到最大,而当θ进一步增大时,流速的减小与管束表面的流动边界层的增厚使得表面Nu急剧减小并趋于稳定.这一现象在管束No. 1和No. 2中表现得最为明显.然而比较不同管束表面Nu的分布发现,随着管束序号(也就是管束排数)的增加,表面Nu的变化趋势亦有一定的改变,其主要表现在: (1)Nu的增大与减小幅度变小了; (2)Nu出现最大值时的位置向前移动(对应的θ变小),θ=p/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将出现波浪式变化.这些细微的变化对于无挡板的情况表现得更加明显.这主要是因为随着管排数的增加,流体冲刷管束的方式由横向冲刷为主逐步转变为横向冲刷成分减少与纵向冲刷成分增多的流动方式,当流体到达最后一排管束时,由于横向流动的流体受到壳体壁面的影响而出现了较大的涡流,从而表现出表面Nu的波动现象.有关截面A—A上的表面传热性能的进一步机理分析,将在以后结合流场、温度场的分布进一步探讨. 由图7中还可以看出,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: (1)Nu比无挡板时有所提高; (2)不同管束之间的Nu波动幅度比无挡板时要小; (3)同一管束的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,使得壳程流体的分布更加均匀,入口段的横向流动速度明显增加,轴向流动速度显著减少. 图8为进口段截面B—B的局部表面Nu分布图,其局部表面Nu的变化趋势和基本现象与截面A—A一致.但仔细比较图7与8亦可以看出一些细微的变化,主要表现在截面B—B的局部表面Nu比截面A—A的要高,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.对于Re对进口段局部Nu分布规律的影响,基本上与图7和8中的情况相一致,即在实验范围内(Re=5000~30000),Re对进口段Nu的分布影响很小,因此这里不再重复讨论. 2. 2 局部平均表面传热性能 保持Re相同的情况下,不同管束的局部平均Nu比较如图10所示.由图10中可以看出,无挡板时的Nu减小幅度较大,而有挡板时的Nu减小幅度明显放缓;无挡板时,Re越大曲线的斜率越大,即Nu的减小幅度越快,而有挡板时,曲线的斜率基本与Re的变化无关.这说明当Re增大时,无挡板时的流体分布不均现象不断加剧,而对于有挡板时的情况,其影响很小. 2. 3 换热器整体的传热性能 进口段的平均Nu和换热器整体(含进口段、轴流段与出口段)的平均Nu与Re的关系分别如图1所示,这里所述的平均Nu是局部表面Nu的面积加权平均值.由图11(a)中可以看出,在相同的Re下,安装流体分布挡板后的Nu比没有挡板情况下至少提高了10%;由图11(b)中也可以看出,安装流体分布挡板可以使得换热器整体的平均Nu至少提高5%.以上情况均表明,分布挡板有利于流体的二次分配和提高换热器整体的传热性能,有关分布挡板对壳程流场的影响,将在以后的论文中结合数值模拟和阻力性能进行分析. 3 结语 通过对壳程多通道进出口结构轴流管壳式换热器壳程局部传热性能进行实验研究,得出以下结论: (1)研究揭示了换热器进口段的局部表面传热系数的分布关系,并给出了适度的机理解释与分析; (2)局部平均传热性能的分析结果表明:流体分布挡板可以有效促进壳程流体的分布,一定程度上提高传热性能; (3)对整体传热性能的研究结果表明,流体分布挡板能够有效提高壳程的整体传热性能,在Re相同的条件下,进口段的平均Nu将提高10%以上,换热器整体的平均Nu将提高5% ~10%. 参考文献：略 |
| 上一篇：板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟 | 下一篇：螺旋折流板换热器板参数的简明空间解析 |