换热器的强度和传热速率的计算

换热器的强度和传热速率的计算

换热器的主要作用是利用汽轮机做功后的蒸汽加热供暖用的循环水，从而使蒸汽冷却后变成水再回用。现行使用的热网换热器一般都采用管壳式结构，常用的换热管为冷拔钢管。由于热网系统中的循环水只经过简单的软化和过滤处理，所以极易在换热器的换热管内壁结垢，这样就大大降低了传热效率，通常半年至一年设备就要清理一次。用波纹换热管制造热网换热器，极大地改善了管内结垢状况，经实际运行使用，效果良好。

1 用波纹管制造热网换热器的依据
1.1 流体在管子内外的流动状态对两侧流体之间传热的影响
1.1.1 流体在管子内的流动型态
  通常当流体在管内流动时可分为层流、湍流和过渡流三种流动状态。每种流动状态都会在靠近管壁处形成边界层（边界层又分为层流、湍流、过渡流三种流动状态）。这是因为流体具有粘滞性、润湿性的结果，即使是湍流边界层，在靠近管壁面仍存在一极薄的滞流内层，此层内流体的流动仍为层流。
1.1.2 流体在换热器管间的流动状况
  通常采用的列管式换热器都带有折流挡板，流体在管间流动时，流向和流速均不断变化，因而在Re(雷诺准数)>100时即可能达到湍流，所以一般按湍流考虑。
1.1.3 无相变的流体在管子内外的传热情况
  在管两侧紧贴壁面的滞流内层中，沿壁面的法线方向上没有对流传热，该方向上热量的传递仅为流体的热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流内层中的导热热阻就很大。假设管壁两侧的流体为湍流流动，在管壁两侧的湍流主体中，因流体质点剧烈混合并充满旋涡，所以湍流主体中的温度差（温度梯度）极小，各处温度基本相同。在湍流主体和滞流内层之间的缓冲层中，热传导和对流传热均起作用，在该层内温度发生缓慢的变化。如图1所示。若管壁两侧的流体为层流流动，则在层流主体中，沿壁面的法线方向上的热量传递只是流体的热传导，详情可参考滞流内层中的传热情况。



图1

  从以上分析可知，对流传热的热阻主要集中在滞流内层中，因此减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。
1.1.4 波纹管内外两侧流体（外侧的流体有相变）之间的传热分析。
  在波纹管内侧，当流体由缩径处进入扩径处时会发生边界层分离现象，此时在扩径处产生流体空白区，一部分流体会倒流回来填充空白区，这样在扩径腔内产生流向相反的两种流体，即而形成旋涡，如图2所示。由于旋涡的存在，加剧了流体质点之间的碰撞，极大地破坏了边界层和滞流内层，使其厚度减薄，减少了滞流内层的热阻，同时减轻了污垢在管内壁的沉积，这样就大大地提高了内侧的对流传热系数。



图2

  在波纹管外侧，由于波纹管表面的凸起和凹陷改变了冷凝液膜的薄厚分布，如图3所示。在扩径处外部液膜厚度极薄，此处对流传热系数远远大于光滑管外部凝结时的对流传热系数，在缩径处外部液膜厚度较厚，该处对流传热系数较光滑管外部凝结时的对流传热系数略小一些，不过总的平均对流传热系数比光滑管大得多。



图3

1.2 换热器总传热系数K0值的计算及其影响因素
  以管子外壁为基准的列管换热器的总传热系数K0值按如下公式计算



  Ko为总传热系 W/(m2.℃)
  ai为管内侧的对流传热系数数 W/(m2.℃)
  a0为管内侧的对流传热系数数 W/(m2.℃)m2。
  b为管壁厚度℃  m
  di为管内径  m
  do为管外径  m
  dm为管中径  m
  Rsi为管内侧的污垢热阻  m2.℃/W
  Rso为管外侧的污垢热  m2.℃/W
λ为管子导热系数 W/(m2.℃)
  一般(管壁热阻)较小，Rso(蒸汽侧污垢热阻)也不大，这两项对Ko值的影响不明显，因此ai、ao、Rsi是决定Ko值的主要因素。当ai、ao增大Rsi减小时Ko值增大，反之Ko值则减小。
  对于波纹管式换热器，ai、ao较大，Rsi很小，可使波纹管换热器总传热系数Ko为光滑管换热器Ko的两倍多。
1.3 总传热系数Ko对换热器传热速率的影响
  换热器的传热速率可用如下公式计算

Q=KoSo△tm

  Q为传热速 W
  K0率为总传热系数（以管外壁为基准） W/(m2.℃)m2
  So为传热面积（以管外壁为基准) m2
  当△tm不变（冷热流体进出口温度不变）、So也不变时，Q与Ko成正比。
  对于波纹管式换热器，在△tm、So相同的情况下，传热速率比光滑管换热器的传热速率大一倍多，即换热器的处理量增大一倍多。

2 波纹管式热网换热器的设计
2.1 管壳式热网换热器的型式选择
  采用浮头式结构，可有效地消除管子与壳体之间的温差应力，还可以利用原换热器的壳体和上下管箱部分。如图4所示。



1.上管箱2.壳体3.管系4.下管箱5.浮头盖
图4

2.2 热网换热器波纹管型式的选取
  用于热网换热器的波纹管主要有两种型式。如图5、图6所示。



图5



图6

  图5中的波纹管具有穿管容易、更换管方便的优点，有利于设备的检修。图6中的波纹管具有排管间距小的优点，在保证设备传热面积不变的情况下，可使设备体积减小、重量减轻从而降低制造成本。本设计因排管空间所限，故采用图6型式。
2.3 波纹管折流板(兼支撑板）形式的选择
  本加热器采用单弓形折流板并兼支撑板。
  支撑板的厚度一定要大于波纹管的波距，否则当支撑板处在波纹管缩径处时，如图7,会因管子与孔之间间隙过大而出现管子振颤现象，影响设备使用寿命。为此折流板可设计成如下三种形式，如图8、图9、图10.



图7



图8



图9



图10

  图8中的折流板制造容易，但由于板整体加厚使得重量较大。图9、图10中的折流板重量较轻，但加工制造较复杂。
  为减轻设备重量，本设计的折流板采用图10所示的形式。
2.4 换热管与管板的连接形式的选择
  本设计采用强度胀加密封焊的连接形式，胀管长度为50mm,胀管率为7%,并在管孔中开两道宽3mm,深0.6的槽，焊接方法为氩弧焊，方式为自熔。
2.5 换热器管架结构的设计
  采用若干短槽钢与折流板间用螺栓连接形式，增强了管架的总体刚性。如图4中所示。

3 结论
  1.波纹管换热器比光滑管换热器具有更高的传热系数。
  2.波纹管换热器具有不易在管壁结垢的优点。
  3.波纹管换热器比原换热器重量轻、成本低。目前，我们研制的波纹管式热网换热器已在内蒙古伊敏电厂投入使用，运行良好。