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列管式换热器壳程的减阻与增效情况

点击:2136 日期:[ 2014-04-26 21:57:56 ]
                          列管式换热器壳程的减阻与增效情况                                      张敏                       (珠海醋酸纤维有限公司,广东珠海519070)     摘要:从列管式换热器的结构以及传热过程出发,分析了列管式换热器主要传热的途径,针对换热器壳程结构的优化,介绍了近年来列管式换热器壳程减阻与增效技术的进展及相关使用情况。     关键词:列管式换热器;传热强化;技术进展;壳程     中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号:1672-545X(2009)01-0047-02     由于我国工业的快速发展,使得整个社会对能源的需求越来越大。从长远来看,能源成本在不断攀升。因此“,节能减排”成为重要国策。而利用高效换热器来吸收生产过程中排出的大量余热,并重新利用,既节约了能源,又减少了污染。与其他换热设备相比,列管式换热器由于其适用性广、坚固耐用、密封性好等优点,成为了石化等领域应用最普遍的一种换热器。如何降低列管式换热器在原工艺系统中的阻力,并提高其换热效率,就成为研究的重点之一。     1·列管壳式换热器简介     列管式换热器又称管壳式换热器,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。它主要由壳体、传热管束、折流板(挡板)和管箱等部件组成(见图1)。壳体一般为圆筒形,内部装有多根管束,管束两端固定在管板上。进行换热的介质,一种在管内(管程)流动;另一种在管外(壳程)流动。为提高管外流体的传热系数,通常在壳体内设置折流板,折流板的作用是提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度,以提高流经换热器的两种介质的换热效果。但它却增加了换热器在原工艺系统中的阻力,这就有可能影响到原系统的正常运行,从而降低了余热回收工作的效率。                         2·列管式换热器的减阻与增效     在余热回收和利用(要求降低换热设备对原生产系统的阻力)、壳程介质粘度较大、降低流体阻力等场合都希望一方面可以降低流体在壳程的流动阻力,以减少介质的输送成本或降低换热系统对原有工艺流程的影响;另一方面也想改善流体在壳程的传热性能,提高换热效率。而目前主要的研究以及运用的成果主要集中在换热器的管间支撑结构的改善。常用的列管式换热器多为弓形折流板,这样使流体呈“Z”型流动,传统的单弓形折流板支承局限—壳程流体易产生流动死区,换热面积无法充分利用,因而壳程传热系数低、易结垢、流体阻力大。且当流体横向流过管束时,还可能引起管束流体诱导振动。为了改善流体在壳侧的传热性能,降低换热介质在壳程的流动阻力,相继推出一些优化结构。即将壳程流体的流动由传统的横向冲刷变为与管内流体基本逆流的纵向冲刷,提高换热系数,防止流体的振动,因此这是优化壳侧结构的主要思想。     2.1 折流杆式换热器     折流杆式换热器是一种以折流栅代替折流板的换热器,它由排布的支撑杆形成一系列的壳程折流,每副单一的折流栅的主要构件包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在圆环折流环上,采用4种不同布置方式的折流栅构成折流栅组。这样既可以防震,还可以增加流动介质的湍流度,提高管间给热系数。折流杆式换热器压降很低,为弓形隔板的1/4以下,传热特性比也高,传热强化达1.3~2.4倍     2.2异型隔板换热器     异形隔板是通过对隔板的结构和安排的改变,来引起壳侧流体的流动速度和方式的变化,从而减少壳侧易结垢的死区来提高换热系数。并且隔板在列管式换热器中,还有支撑管子,实现流体预期速度,减少管子震动的作用。目前常见的异形隔板换热器形式主要有:双弓形隔板,螺旋形隔板。而新型的螺旋形隔板(螺旋折流式支承结构)—螺旋折流板是圆截面的折流板互相形成一种特殊的螺旋形结构,每个折流板与壳程流体的流动方向成一定角度,使得壳程流体沿着折流板做螺旋运动。图2为流体在弓形折流板和螺旋折流板换热器壳侧流动情况对比的示意图。                            2.3螺旋折流板换热器     高效、紧凑的螺旋折流板换热器(见图3),其性能优于其他类型的列管式换热器。是近期列管式换热器的壳程减阻与增效的主要研究成果。                         从图3可以看出,螺旋折流板使流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动(即plug流),不会出现传统弓形折流板换热器内的流动“死区”(见图2),并且由于旋流产生的涡流与管束传热界面边界层相互作用,使湍流度大幅度增强,有利于提高壳侧传热膜系数。螺旋折流板之所以强化传热是因为:     (1)流体在壳侧的流动更加接近于柱塞状的流动,提高了传热温差;     (2)螺旋流动使壳侧流体半径方向上存在速度梯度,并且破坏了边界层从而强化了传热。     螺旋折流板换热器中的介质在壳体内连续平稳旋转流动,没有急剧的流向改变。因此,壳程介质压力降较小。在相同流量条件下,可使压降减少45%左右。实验结果表明,螺旋角为12°、18°、30°、40°的螺旋折流板换热器的总传热系数,要比相应结构下的弓形折流板换热器高59.48%以上。并且经研究可认为,在壳侧流道内加入多孔介质,可增加流道内流体的湍流度,提高对流换热系数。实验结果表明,与相同工况下的弓形折流板相比,螺旋隔板壳侧努塞而数可提高49.4%,加入多孔介质后,壳侧努塞而数可提高79.5%。此外,在螺旋角为40°左右时,边界层流体流动形式在流道内表现为全发展流,此时换热器效率最高。     通过已知实验数据可以看出,螺旋隔板换热器的优良性能,对于以压缩空气为工质,在相同的Re下,光滑管螺旋隔板换热器的管外膜传热系数,是光滑管弓形隔板换热器的1.25~1.8倍;对光滑管螺旋隔板换热器实验结果表明,相同流量下单位压降的壳侧对流传热系数,对低粘度流体而言,螺旋隔板约为普通隔板的2.4倍;对高粘度流体而言,螺旋隔板约为普通隔板的1.5倍。     3·结束语     螺旋折流板换热器在20世纪90年代初由ABB公司开发出系列产品,在实际应用中取得了良好的效果,尤其对于高黏度流体效果更加突出。螺旋折流板换热器也有一定的缺点,即其螺旋折流板和定距管的加工,较弓形折流板换热器困难,需要专用的加工胎具,因此,其价格略高于弓形折流板换热器。 参考文献: [1]杨军,陈保东,孙成家.螺旋与弓形折流板换热器性能对比及螺旋角优化[J].辽宁石油化工大学学报,2005,(2):59-62. [2]陈姝,高学农,徐娓,王端阳.管壳式换热器壳侧在强化传热方面的进展[J].广东化工,2006,(5):18-21. [3]吴金星,魏新利.纵向管壳式换热器强化传热研究与发展[J].石油机械:2002,04(30):49-52. [4]方运惠,童军杰.管壳式换热器传热强化及技术研究进展[J].太原科技,2006,(03):89-91. [5]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):881-886.
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