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螺旋肋片自支撑换热器强化换热试验研究点击：1832 日期：[ 2014-04-26 22:00:14 ] |
| 螺旋肋片自支撑换热器强化换热试验研究 吴金星 朱登亮 魏新利 曹玉春 (郑州大学节能技术研究中心,河南郑州450001) 摘要:为了利用螺旋流动强化传热的特性并简化换热器结构,结合螺旋折流板换热器的结构和流体流动特点,开发了一种螺旋肋片自支撑换热器。为了掌握螺旋肋片自支撑换热器的传热和压降综合性能,建立了换热器的试验模型和试验装置。在相同的试验条件下与折流杆换热器进行对比试验,结果表明:当雷诺数Re=6000时螺旋肋片换热器的总传热系数比折流杆换热器提高13.3%,并随着雷诺数增大强化传热效 果更加显著;而同时压力梯度却降低了87.5%,并随雷诺数增 大二者的压力梯度差值变大。在试验雷诺数2000~6500的 范围内,螺旋肋片换热器的综合性能K/ P值是折流杆换热 器的1.4~2倍。可见,螺旋肋片换热器具有较高的传热系数和较低的压降,因而具有良好的发展及应用前景。 关键词:螺旋肋片;管壳式换热器;自支撑;折流杆;强化 换热 中图分类号:TK124,TQ051 文献标识码:A 引 言 随着常规能源的日益短缺,节能降耗越来越受到人们的重视。换热器在能源动力和石油化工等行 业是调节工艺介质温度和回收余热从而实现节能降 耗的主要设备,换热器的强化传热是提高换热器效率的重要措施。美国菲利普公司开发的折流杆换热器比传统的弓形折流板换热器大大降低了壳程流 阻[1],并在高雷诺数时获得了较好的强化壳程传热效果。继而国内也开展了高效低流阻纵流式换热器 的相关研究[2],不仅开发出用于正方形布管的折流栅结构,严良文等人还开发出波形折流杆换热器专利产品[3],可用于对三角形布管的折流板换热器进 行改造,在一定雷诺数范围内获得了良好效果。螺旋形折流板是近年来国内外开发的新型壳程强化传热结构[4~7],它克服了弓形折流板支撑管束时具有 阻力大、死角多、易积垢、易诱发管束振动等缺陷,因而受到人们越来越多的重视。但螺旋形折流板比现有的多数管束支撑结构更复杂,螺旋折流板和定距管的加工难度较大,需要专用的加工胎具,螺旋形折 流板换热器的价格也高于弓形折流板换热器,这在一定程度上限制了它的推广应用。为此,东南大学梅娜等人提出了一种螺旋折流片管壳式换热 器[8~9],并对其套管换热器进行了数值模拟研究,从而证实了该换热器中螺旋折流片能诱导流体做螺旋流动,产生大量的涡流,促进流体微团混合,能有效地提高对流传热系数。 1 螺旋肋片自支撑管壳式换热器 为了利用螺旋流动强化传热的优点,而又简化结 构以便于加工和安装,本文结合螺旋折流板换热器和螺旋折流片管壳式换热器的结构和流体流动特点,提 出了一种螺旋肋片自支撑管壳式换热器(以下简称 “螺旋肋片换热器”)。该换热器采用了把管束支撑结构“化整为零”的简化思想,把制造难度较大的整体式 螺旋折流板简化为制造相对容易的围绕单根换热管 的螺旋肋片,从而将流体在壳程总体的螺旋流动变为围绕每根换热管的局部螺旋流动,相邻换热管之间的 旋转流体又相互干扰,使流体产生新的掺混。螺旋肋 片换热器不同于螺旋折流片换热器之处在于:螺旋肋 片的高度较小,正好等于换热管的间距,全部换热管 都缠绕了螺旋肋片,且同向布置。图1是螺旋肋片换热管束示意图和单根换热管照片。 在螺旋肋片换热器中,螺旋肋片还起到支撑管束和保持管间距的作用,不需要折流板。螺旋肋片的主要参数包括:换热管外径d,螺旋肋片宽度h, 螺旋肋片绕换热管旋转360°的长度,即一个周期长度H,螺旋肋片的螺旋角α定义为螺旋肋片根部 (即换热管表面)的螺旋线与换热管轴线的夹角,即α=arctan(πd/H)。 对于大型螺旋肋片换热器,为了充分利用螺旋 肋片的扰流作用,也为了便于螺旋肋片的加工,换热 管全部采用旋向相同的螺旋肋片;安装时换热管之 间完全靠螺旋肋片支撑和定位,不需要安装折流板, 螺旋肋片也不会发生碰撞;组装时可先把支撑圈、管 板、拉杆和定距管组装好,然后再穿换热管,支撑圈 一方面对管束起支撑和定位的作用,另一方面阻止 流体在管束与壳体之间的泄漏。与大型螺旋折流板 换热器相比,螺旋肋片换热器结构简单,加工方便, 适合大规模工业生产。 在螺旋肋片换热器壳程中,由于没有折流板,壳 程流体在总体上沿管轴线呈纵向流动,螺旋肋片既 对其所在区域内的流体产生影响,又会影响到周围 流体,因此,壳程中的流体流动和传热状况十分复 杂。在每根管子周围,流体受螺旋肋片的影响绕管 轴线均呈螺旋流动;在相邻3~4根管子围成的流道 中,流体一方面沿轴向流动,同时受周围的4根螺旋 肋片的影响,使流体产生一定的螺旋流动。总的来 说,螺旋肋片起到了两种较好的强化传热作用:(1) 流体的有效流程加长,在相同的质量流量下,流速提 高;(2)螺旋流动导致涡旋和二次流。流体的流速提 高后,壁面附近的剪应力增大,边界层减薄,传热得 以强化。做螺旋流动的流体受离心作用的影响,流 体有径向速度分量,流体径向流动的结果是造成涡 旋和二次流,促进了主流流体和壁面边界层流体充 分混合,减薄了边界层,提高了传热系数,但流程的 增长和湍流度的增加必然会带来压降的增大。 2 换热器试验装置与试验方法 为了测试螺旋肋片换热器传热和压降综合性 能,建立了螺旋肋片换热器试验模型和试验装置,如 图2所示。为了与工程应用较好的折流杆换热器对 比,制造了一台折流杆换热器试验模型,其主要结构 参数如壳体内径、换热管规格、换热管长度和数量、 管中心距、排列方式等与螺旋肋片换热器完全相同。 两种换热器在相同的试验条件和同一传热试验 平台上进行试验,试验平台由水蒸气和空气供料系 统、数据采集与处理系统及换热器试验模型三部分 组成,试验流程如图3所示。供料系统供应壳程和 管程物料,包括燃油锅炉连续输送蒸汽至管程,鼓风 机连续输送空气至壳程;数据采集系统由温度、压 力、流量传感器、显示仪表、数据采集器、计算机等组 成。 3 试验结果及其分析 图4为螺旋肋片换热器和折流杆换热器的总传 热系数K随雷诺数Re的变化情况。在换热器试验过程中,管内是水蒸气冷凝对流传热,传热系数较大 且基本保持不变;管外是空气对流传热,传热系数较 小并随着空气流量变化,所以管内的热阻远远小于 管外,则管外的对流传热系数近似等于总传热系数。 由图可见,两种换热器的总传热系数K都随雷诺数 Re的增大而提高,且螺旋肋片换热器的总传热系数 K提高得更快。在雷诺数小于3000时,螺旋肋片 换热器的总传热系数K略小于折流杆换热器,说明 在较低的雷诺数下螺旋肋片还不能充分发挥强化传 热作用,二者的强化传热作用基本相当;当雷诺数大 于3000时,螺旋肋片换热器的总传热系数K则明 显大于折流杆换热器,并且二者的差值呈增大趋势, 这说明随着雷诺数增大螺旋肋片的强化传热效果越 来越显著,当雷诺数Re=6000时螺旋肋片换热器 的总传热系数达到85W/(m2·K),比折流杆换热器 高出13.3%。可见,在试验雷诺数Re=3000~ 6500范围内,螺旋肋片强化壳程传热效果高于折流 杆。 图5为螺旋肋片换热器和折流杆换热器的压力 梯度 P随雷诺数Re的变化。由图可见,两种换热 器的压力梯度 P都随雷诺数Re的增大而提高,这 是由于流体的粘性和雷诺数增大(即湍流度增大)的 缘故。在相同的雷诺数范围内折流杆换热器的压力 梯度 P变化速率更大,证明折流杆对流体的阻挡 作用更大,而螺旋肋片对流体几乎无阻挡作用,其阻 力增大的原因还是由于流体的粘性和湍流度增大, 只不过加装螺旋肋片后比无任何支撑的壳程流体的 湍流度增大的速率更快。在雷诺数2000~6500的 范围内,螺旋肋片换热器的压力梯度最大为80 Pa/m,比折流杆换热器的压力梯度降低了87.5%, 随雷诺数增大二者的压力梯度差值变得更大。可 见,在与压降相关的动力消耗方面,螺旋肋片换热器明显低于折流杆换热器。 图6为相同试验条件下两种换热器的综合性能 K/▽P比较。可见,在试验雷诺数2000~6500的 范围内,螺旋肋片换热器的综合性能K/▽P明显优 于折流杆换热器的综合性能,螺旋肋片换热器的K/ P值是折流杆换热器的1.4~2倍。 4 结 论 (1)螺旋肋片换热器把制造难度较大的螺旋折 流板简化为制造相对容易的围绕单根换热管的螺旋 肋片,将流体在壳程总体的螺旋流动变为围绕单根换热管的局部螺旋流动,并产生大量的涡流和二次 流,提高了主流流体和边界层流体的混合程度,可使 边界层变薄,从而有效地提高传热系数。相邻换热 管间的流体螺旋流动相互作用,可进一步提高流体 的湍动程度和强化传热。 (2)螺旋肋片换热器结构简单,制造和安装方 便,节约材料,相对于折流杆换热器有较高的传热系 数和较低的压降,试验表明其综合性能K/ P明显 提高,在试验雷诺数2000~6500的范围内,螺旋肋 片换热器的综合性能K/▽P值是折流杆换热器的 1.4~2倍。因此,螺旋肋片换热器具有很好的发展 和应用前景。 参考文献: [1] GENTRYCC.Rodbaffleheatexchangertechnology[J].ChemicalEn- gineeringProgress,1990(7):48-57· [2] 吴金星,董其伍,刘敏珊,等·纵流式换热器的结构研究进展 [J]·化工进展,2002,21(5):306-309· [3] 严良文,吴金星,王志文·波形折流杆与弓形折流板换热器的 综合性能比较[J]·压力容器,2004,21(4):10-12· [4] STRHLIKP.Comparisonofcorrectionfactorsforshell-and-tubeheat exchangerswithsegmentalorhelicalbaffles[J].HeatTransferEngi- neering,1994,15(1):55-64· [5] KRALD,STEHLIKP,VANHJ,etal.Helicalbafflesinshell-andtube heatexchangers,PartI:experimentalverification[J].HeatTransfer Engineering,1996,17(1):93-100· [6] 陈世醒,张克铮,张 强·螺旋折流板换热器的开发与研究 [J]·抚顺石油学院学报,1998,18(3):31-35· [7] 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. [8] 梅 娜,陈亚平·螺旋折流片强化壳侧传热研究[J]·石油化工 设备,2004,33(5):1-4· [9] 梅 娜,陈亚平,施明恒·螺旋折流片换热器壳侧传热与流动 的数学模拟[J]·工程热物理学报,2005,26(2):310-312· (编辑 滨) |
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