管壳式换热器纽带强化传热实验研究

点击：1779 日期：[ 2014-04-26 21:58:06 ]

管壳式换热器纽带强化传热实验研究刘舜尧 1 ，管文华 1,2 (1．中南大学机电学院，湖南长沙410083；2．湖南化工职业技术学院，湖南株洲412004) [摘要]强化传热技术是一项能显著改善传热性能的节能新技术。其主要内容是采用强化传热元件，改善换热器的结构，提高传热效率，以达到生产的最优化。螺旋纽带技术是一种方便的强化传热技术，其最大的优点是，适合旧换热器的改造，且施工简便，可大大节省投资。同时有助于管内污垢的清除。 [关键词]换热器；强化传热；管壳式换热器；螺旋纽带 [中图分类号]TH[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2009)10-0175-03 换热器是一种广泛使用的通用工业设备。它不仅是保证工程设备正常运转的重要部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面在整个工程中占有重要地位。管壳式换热器被广泛应用于石油、化工、动力等领域。由于世界性的能源危机，为了节能降耗，工业上对换热器的需求越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。随着现代工业技术的不断发展，新工艺、新技术的广泛使用必然带来高性能、高参数换热器的需求。热传递是一种非常普遍的物理现象，它与我们的生产生活密切相关。只要存在温度差，热量就会自发地由高温传向低温，即热传递。从节能的角度出发，为了进一步减小换热器的体积，减轻重量和物资消耗，减少换热器输送流体所消耗的功率，并使换热器能够在较低的温差下正常工作，必须用各种办法来增强换热器内的传热。强化传热研究的主要任务是改善热传递速率，以达到用最经济的设备来传递规定的热量，或用最经济的冷却方式保护高温元器件的安全，即用最佳的热效率实现能源的合理利用。因此，强化传热因其在工业生产与能源利用中的特殊作用而得到不断完善。强化传热技术是一项能显著改善传热性能的节能新技术。其主要内容是采用强化传热元件，改善换热器的结构，提高传热效率，从而使设备投资与运行费用最低，以达到生产的最优化。强化传热的目的是以最经济(体积小、质量轻、成本低)的换热设备来传递规定的热量，或用最有效的冷却保证高温部件的安全运行。对传统换热设备的研究主要集中在两大方向，一是对传统的管壳式换热器进行强化改造，即使用各种强化型高效传热管(如螺旋槽纹管、波纹管、翅片管及各种管内插入物) 取代原来的普通金属光滑管；二是开发新的换热器品种，如板翅式、平行流式和振动盘管式等紧凑型换热器。强化传热新技术的运用，通常可使设备能耗降低20%以上。 1.强化传热的基本原理换热器的传热量，可用传热基本方程表示，即： Q=KA△T(1) 式(1)中，K为传热系数；A为传热面积；△T为冷热流体的对数平均温差。增大传热总系数K、增加传热面积A或提高传热平均温度差△，都能使传热速率Q增加。因此，强化传热的措施要从这三方面来考虑。 1.1增加传热面积A 增加传热面积是目前研究最多的一种强化传热方法，也是一种很有效的强化传热途径，特别是对于像空气之类的低普朗特系数流体，其强化换热效果更佳。 1.2增大传热温度差△T 增大传热温度差是强化传热的方法之一。传热温度差主要是由物料和载热体的温度决定的，物料的温度由生产工艺决定，不能随意变动，载热体的温度则与选择的载热体有关。由于载热体的选择受到一些条件的限制，因此，温度变化的范围是有限的。如果物料和载热体均为变温情况，则可采用逆流操作，这样可获得较大的传热温度差。 1.3 提高传热总系数K 提高传热系数K是强化传热的最重要途径，且在换热面积和对数平均温差给定时，是增加换热量的唯一途径。其计算式为：式2中，α1为热流体与管壁的对流换热系数；α2为冷流体与管壁的对流换热系数；b为管壁厚度；λ为管壁的导热系数。由上式可以看出，要提高K值就要必须减小各项热阻，而且应该从热阻最大处着手。若内、外侧垢层为主要热阻时，应设法阻止或减小垢层的生成，或采取定期清洗等措施。若两侧的对流给热系数相差很大，提高较小的α值方面最有效。若两侧的给热系数都比较小时，则应设法将两个α值同时提高。此外，采用导热系数较大的流体以及传热过程中有相变化的载热体，都可以获得较高的α值。提高传热系数K、传热面积A、对数平均温差△T，均可达到强化传热的目的。传热面积与换热器的结构关系较大，对一个换热系统来说，一味地增加换热面积，势必造成设备体积庞大和成本的大幅上升；而对数平均温差与流体进出换热器的工况有关，以热力学分析，选择高对数平均温差，必然导致能耗的大幅度增加，因此，这两条路径有些得不偿失。强化单相流体管内对流换热的有效措施之一就是使流体在管内产生旋转运动，致使靠壁面的流体速度增加，加强边界层内流体的搅动。同时，由于流体旋转，整个流动结构发生变化，边界层内的流体和主流流体得以更好的混合。管内插入物技术是一种最方便的强化传热技术，其最大的优点是，适合现有换热器的改造，且施工简便，可大大节省投资。更有益的是：有助于管内污垢的清除，这是其它强化传热技术无法比拟的。随着太阳能集热器的广泛使用，由于水中泥沙、胶体等的沉积，使污垢越来越多，严重影响换热性能，而使用管内插入物，既可以达到强化换热的目的，又能起到清除污垢的作用。 2 螺旋纽带的基本工作原理管内插入物的种类很多，常用的管内插入物有螺旋扭带、螺旋线圈、绕花丝、螺旋弹簧以及静态混合器等。不同的管内插入物具有不同的形状，强化传热机理也有差别。它们在应用方面具有自己的领域，选择种类时，应综合考虑其强化传热性能。螺旋纽带是一种结构简单的管内旋流装置。螺旋形纽带是由宽度约等于管子内径、厚度约1~2 mm的薄片扭曲而成。螺旋纽带在管内旋转180度轴向距离H与管子内径D之比，称为扭曲比，用公式表示为： y=H/Di(3) 与管内粗糙表面强化相比，由于纽带可以方便地放入管中或从管中取出，而且可以预先加工好，在对现有管壳式换热器进行改造和清除污垢等方面具有明显的优势。螺旋纽带装置运行原理：安装后的螺旋纽带装置在循环冷却水的驱动下，自动旋转，纽带与水密度相当，在管内自然漂浮，与管壁无硬性接触，无摩擦，驱动力小，只要循环水流动，螺旋纽带就会连续不断的旋转，始终保持管内水流处于紊流状态。而无须任何其它动力设备。螺旋纽带装置旋转运行时冷却水处于紊流状态，盐类物质和其它污垢无法停留在壁面上，并形成海棉状的松软的水渣悬浮在水流之中，顺水漂流排除凝汽器。从而，避免了盐类沉淀物滞留结晶，可防止水垢的形成。螺旋纽带装置，打破管内层流底层，冷却水在管内充分紊流，使冷却水主流强烈并直接与管壁换热，强化换热的效果。螺旋纽带能使管内流体产生旋转并引起二次流，促使径向混合，实现强化传热。管内插入纽带后，促使流体旋转流动和二次流，它是一种强制漩涡与轴向流动叠加而成的运动，能产生连续不断的涡流，在离心力的影响下，使管中心流体和璧面边界层流体充分混合，减薄层流底层，使壁温降低，并使轴向速度场均匀化，达到强化传热的效果。 3 试验目的测定介质为氯化钠饱和溶液，在不同的流速下，螺旋纽带在通道内壁的对流传热强化对总传热系数的影响。 4 试验装置管子规格：Φ57 mm×3.5 mm×1200 mm；蒸汽发生器：电加热炉，理论功率35 kW；流量计：LZB-80玻璃转子流量计，公称直径Φ80mm；温度计：两个0～50℃的温度计测量进水口与出水口温度；一个50～100℃的温度计测量蒸汽温度；纽带：螺距100，纽带长度1800，宽24.5，厚度2.0。试验装置如图1所示。 5 试验原理由传热学可知，热阻的倒数即为相应的传热系数，通过强化冷却水与管内壁的对流传热，提高总传热系数。试验通过测定安装有螺旋纽带换热器的总传热系数，并与同样条件下光管换热器的总传热系数进行比较，获得螺旋纽带对冷却通道内流体传热的影响。实验台的试验管，因管外侧为冷凝放热，内侧为水和壁面对流换热，故α0>>αi，即可看作等壁温边界条件下管内单相流体对流换热，由传热学可知，介质在管内流动时所获得的热量Qw可表示为： 6 试验步骤实验时，待介质进出口温度，试验管管壁温度和蒸汽压力保持一定时间，工况稳定后，再进行各种参数的测定。每改变一种工况，应有一定的时间间隔，在同一工况下，应测量几次数据，以便整理数据时，剔除一些不合理的数据。步骤如下： (1)调节进水阀，使管内流量保持稳定，并记录流量值； (2)读取冷却水进口温度t1、出口温度t2和蒸汽温度T； (3)重复以上试验步骤； 7 .试验结果分析将试验数据，按公式用Excel进行数据计算，用Origin 6.5 生成曲线图。试验数据经过处理后，得到冷却通道内流体的总传热系数K随流速变化的曲线图，如图2～6所示。其中，设备圆筒直径d=500 mm，高度h=1800 mm，则：传热系数K：为了对实验台进行标定，在做纽带传热实验前，先进行光管的传热实验，其传热系数的试验值与黏性流体传热计算的努赛尔系数计算式：相比较，大部分实验参数的相对误差范围在-6.7±8.3；这表明传热实验的结果是可靠的。通过纽带试验，确立上述关系式，有助于我们进一步弄清楚流体参数与传热效率之间的关系，进而改善传统管壳式换热器的结构，降低能耗，提高生产效率。参考文献 [1]姚玉英．化工原理[M]．天津：天津大学出版社，1999． [2]林宗虎．强化传热及其工程应用[M]．北京：机械工业出版社，1987： 3-7． [3]黄素逸，刘伟．高等工程传热学[M]．北京：中国电力出版社，2006． [4]崔海亭，彭培英．强化传热新技术及其应用[M]．北京：化学工业出版社，2005． (本文文献格式：刘舜尧，管文华．管壳式换热器纽带强化传热实验研究[J]．广东化工，2009，36(10)：175-177)

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