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丝状绕花内插元件管式换热器的应用
姜守霞
吉林省四平师范学院
摘要：丝状绕花内插元件是一种新型高效传热元件, 具有工艺简单、耗材少成本低、易安装等特点。这种管内强化式换热器比普通光管换热器传热系数提高20% ～ 60% ,可节省传热面积15à ～ 45à , 抗结垢能力也优于普通光管。
关键词：换热器 管内强化 丝状绕花内插元件
1 前言
管式换热器是国内外工业换热器设备中的基本结构形式, 近年来随着石油 化工 动力、冶金、轻工及原子能等行业的发展, 迫切需要提供效率高、重量轻、结构紧凑、操作弹性大的换热设备。因此, 如何采取有效措施以改进管式换热器管内换热弱的问题越来越引起人们的重视, 其中丝状绕花内插元件管式换热器就是一项具有广阔前景的强化换热新技术。通过对换热器传热系灵敏、流阻性能的试验研究及工业实际应用, 表明这项技术是强化管内换热, 提高传热效率行之有效的方法。
2 丝状绕花内插元件的结构
丝状绕花内插元件是由金属丝按设计的最佳尺寸用专门的特殊工艺制成的一种绕花状元件, 紧贴管内壁插入管中, 使换热管内工作流体在低充速下产生螺旋流与径向流相叠加的复杂三维流动, 在低流速下(Re< 200) , 增强管内特别是沿径向(即温度梯度最大的方向) 的扰动, 并提前(相对于光管) 诱发湍流。
普通换热管中贴近管壁处总有滞流边界层存在, 边界层内的流体温度接近管外流体的温度, 换热管心部流体的温度将低于管壁处流体的温度, 导致热阻大, 传热效率低。在换热管内插入这种丝状绕花元件后, 可连续地驱散流体主体, 并与边界层脱下的流体进行混合, 使整个换热器的流体处于等温状态, 降低了边界层的热阻, 提高了管内流体的换热系数, 从而提高了整个换热器的传热量及热能利用率。因此, 它是一项综合强化换热的技术, 给换热器制造业和设计者提供了一条合理的阻力损耗下大大强化管内换热的新途径。
该技术的内插元件选材范围大, 根据流体的性质, 选用钢丝、铜丝、铅丝、不锈钢丝等。该技术的工艺简单、加工容易, 如: 绕花线圈组数、线圈螺距、绕花螺距等结构参数均可根据需要设计并绕制成相应的形状。管用于任何管长及4～ 250mm 间的任何管径, 既可用来改造老设备, 也可用来设计、制造新换热设备。应用面广,操作弹性大, 尤其适用于介质粘度高的工况条件, 如: 蒸汽加热焦油、空冷水冷润滑油、原油预热、液压油冷却等。
吉林省四平九圆热交换设备制造公司引进了国外这一先进技术, 自行设计制造了这种新型高效换热设备, 并通过机械电子工业部换热器产品质量监督检测中心的测试, 其性能试验报告结果表明: G400丝状绕花内插元件管式换热器在水- 水换热的情况下, 管内流体流速在1m/s 时, 传热系数可达2190W /m 2℃,流体阻力管程Ph= 0.071M Pa。与普通光管换热器比较, 在传递热量相同, 并且在流体泵输送功率消耗相同的条件下, 传热系数提高20%～ 60% , 可以少用传热面积15%～ 45%。
3 丝状绕花内插元件管式换热器的应用
1993年根据辽宁省铁岭市热力公司提供的工况参数和技术要求, 四平九圆热交换设备制造公司进行了合理的工艺计算及设备优化设计, 确定出了设备合理的工艺参数和结构参数。试制成功了一台140m 2 的管内强化管式换热器, 其绕花丝采用了不锈钢丝材料, 并用专门的工装设备绕制成线圈螺距8mm、绕花螺距64mm 的丝状绕花内插元件, 插入直径19mm的铜质外螺纹换热管中。在汽- 水换热的情况下, 连续而稳定地强化传热, 保证了8×104m 2采暖面积的供暖, 每1m 2传热面积可带570m 2采暖面积, 与板式换热器能力相当。其运行阻力不超过011M Pa, 经过两个采暖期的实际运行, 效果非常理想。
技术经济分析结果表明, 若该公司四个换热站, 24×104m 2采暖面积均改由此种设备供暖, 仅蒸汽一项每年就可节省216×104 t, 1t 蒸汽按42元计, 每年可节约开支10912万元, 如计及节水、节电的费用, 其经济效益是相当可观的。
丝状绕花内插元件管式换热器另一个显著特点是抗污垢能力优于普通光滑管。铁岭热力公司使用的该设备运行两年后拆开检查, 发现污垢很少, 不锈钢金属绕花基本完好, 传热性能一直不变, 原因是加入了这种管内强化元件, 管壁面的粗糙度增加, 流体扰动度增大, 不仅降低了边界层的热阻, 也减轻了管内污垢附着和沉积的可能。
4 结语
实验结果及工业应用实例表明: 丝状绕花内插元件管式换热器利用了板式换热器的流动与传热特性, 大大强化了传热效果。克服了常规管式换热器的主要缺点, 保留了其耐高温高压、适用范围广的优点。不仅可以大幅度降低设备一次性投资, 节省操作费用, 而且可以大量地减少动力消耗, 节约能源。
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