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椭圆管管壳式换热器壳程传热性能的试验研究
王玉琴 宋天民 张国福
(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺 113001)
摘要：通过试验方法对椭圆管换热器与螺旋折流板换热器和传统的弓形折流板换热器进行了壳程 传热性能和压降的研究,同时进行了壳程传热性能和压降的对比。从试验数据处理中得出,椭圆管 换热器的传热系数虽然不高于采用圆管作为换热管的螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器的传 热系数,但其单位压降下的壳程传热系数却远远高于螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器单位 压降下的壳程传热系数。
关键词：椭圆管;弓形折流板;螺旋折流板;传热系数
中图分类号:TK172 文献标识码:A 文章编号:1001-4837(2008)10-0011-05
1 前言
随着新型高效传热管的不断出现,使得管壳式换热器的应用范围得以扩大。圆管换热器是使用最普遍的一种传统的管壳式换热器,但现代工业设备 对热负荷的要求越来越大,因此,强化传热技术在换热器的研究中变得更加重要。在评价强化传热的效果时,需要考虑多种因素,例如:经济性、安全性、制造、安装、运行和维护的工艺技术及对材质的要求等。因此,评价一种强化传热技术的优劣,必须选择合适的强化传热评价准则。单纯地追求传热系数、平均温差或传热面积的改善是不可取的,因为所采 取的强化传热措施往往使流动阻力增大,或其他方 面的消耗要求增高。从实际应用角度考虑,通常在 流动阻力相等的情况下比较传热系数,即比较α/ ΔP的大小。α/ΔP通常作为衡量换热器壳程强化传 热效果的综合性能评价指标,它表示在壳程消耗相同压力降的条件下,所采用的强化传热技术所获得的效益[1]。文中应用这一评价标准对椭圆管换热器的传热效率进行研究。
2 椭圆管换热器的结构分析
这种新型的管壳式换热器是以传统管壳式换热 器为基础,采用椭圆形管为换热管,其他结构均采用 常规管壳式换热器的零部件,管束中不设折流板,换 热管外缘间隔采用折流圈起支撑作用。流体在椭圆 管换热器管壳程运动时,由于壳程不采用折流板,其 壳程阻力较小,压降减小,因此这种结构形式不是以 增加阻力作为代价来提高换热器的传热性能,因此 在工程应用方面更有意义。同时在椭圆管换热器壳 程内,椭圆管束换热器不存在弓形折流板所出现的 死区问题,换热管内不易结垢,具有长期的换热效 益。在椭圆管换热器结构中,取消了折流板,减小了 换热器的体积和金属耗量,降低了制造成本,制造工 艺也比较简单,从而降低了能源消耗。
3 试验
3.1 试验主要设备及仪器
本次试验采用壳体为:Φ0.25m(内径)×3m, 4台换热器的管束均为两管程。采用圆管作为换热 管的管子规格:Φ0.025m×0.0025m×2.5m×40 根,有40°、25°有泄流槽螺旋折流板管壳式换热器 和弓形折流板管壳式换热器;椭圆管换热管的管子 规格:0.02503m(长轴)×0.01021m(短轴) ×0.0025m×2.5m×40根。4台换热器管束中管 子排列方式都为正方形斜转45°。试验在换热设备 综合测试试验台上进行,主要测试仪表、设备为:
(1)测温:数字温度计,分度为0.01℃;
(2)量程:温度测量范围为0~50℃和0~100℃;
(3)测压:压力表和压差计;
(4)流量计:LZB—50转子流量计与LZJ—100 转子流量计并接,量程为1~50m3/h;
(5)试验设计:管程流体介质为热水,流量值为 8m3/h;壳程流体介质为冷水,初定流量值为2m3/ h;管程流量不变;壳程流量按1m3/h递增。整个测试包括壳程和管程的进出口温度和压力的记录。
3.2 试验流程
本装置主要包括两个回路、三个组成部分。两 个回路:冷回路和热回路,即换热系统的管程和壳 程。管程介质为热水,壳程介质为冷水,测试热水与 冷水之间的换热效率。三个组成部分包括:(1)热 水的小储罐及加热部分;(2)冷水的大储罐;(3)循 环动力系统。试验流程如图1所示。
3.3 传热性能测试结果
3.3.1 测试数据
试验时首先调节好流体的体积流量,当换热器的传热和流动达到稳定之后,记录所有数据,改变换热器的工况,稳定后再记录数据,如此重复,直到所 有工况试验完毕。
3.3.2 数据处理[2~6]
根据现有数据及公式计算壳程传热系数。在换 热器试验测试中,当(Qh-Qc)/Qh<10%时,认为试 验数据可靠,予以采用。
3.3.2.1 以圆形管作为换热管的计算
以圆形管作为换热管的计算壳程传热系数的步 骤如下:
(1)换热器的总热阻
(3)绘制单位压降下的壳程传热系数-壳程冷 水流量关系曲线,如图4所示。
4 结论
(1)在同一冷水流量和同一壳程的条件下,椭圆管换热器的壳程传热系数低于螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器(见图2)。例如,当壳程流量为9m3/h时,椭圆管换热器的壳程传热系数比换热效率较低的弓形旋折流板换热器降低了15.6%。
(2)在同一冷水流量的试验条件下,椭圆管换热器的压降小于螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器压降,并且随着冷水流量的增加,椭圆管换热器的压降低得越明显(见图3)。例如,当壳程流量为 9m3/h时,椭圆管换热器的压降比压降较小的25° 有泄流槽螺旋折流板换热器降低了47.1%。
(3)在相同壳程流量下比较壳程单位压降下的传热系数,椭圆管远远高于螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器(见图4)。例如,当壳程流量为9 m3/h时,椭圆管换热器的单位压降下的壳程传热系数比单位压降下的传热系数较高的25°有泄流槽螺旋折流板换热器提高了58.5%。
因此,应用综合评价标准得出,椭圆管换热器的传热性能比螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器的传热性能好。
参考文献:
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