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螺旋折流板管壳式换热器壳程传热性能及压降的研究
王玉琴 宋天民 张国福 闫萍 王威 王强
(辽宁石油化工大学机械学院,辽宁 抚顺 113001)
摘要:本文对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壳程的 阻力的对比,同时通过实验方法对25°、40°螺旋角的螺旋折流板和弓形折流板换热器进行了壳程传 热性能和壳程阻力的研究,得出螺旋折流板换热器的螺旋流动强化了传热,螺旋折流板换热器的壳 程阻力比弓形折流板换热器的壳程阻力小。
关键词:弓形折流板;螺旋折流板;传热系数;压降
中图分类号:TQ021·2 文献标识码:A 文章编号:1002-6339 (2008) 06-0502-03
1 前言
换热器广泛应用于化工、动力、医药、冶金、制 冷、轻工等行业。换热器的种类很多,但管壳式换 热器以其制造容易,生产成本低、选材范围广、清洗 方便、适应性强、处理量大、工作可靠的优点,被广泛 应用,尤其是在化工、石油、能源等行业中。如进料 换热器、蒸发器、冷凝器、再沸器、回热器。因此,设 计制造出一种高效能、低能耗、低成本的换热设备对 于节约能源有着重要的意义。管壳式换热器管束常 布置有折流板,使流体按特定的通道流动以改善其 传热特性,弓型折流板换热器是使用最普遍的一种 传统的管壳式换热器,它使壳程流动成为弯曲的之字形流动,流体可以垂直冲刷管束,强化换热,提高了壳程流体的换热能力,但是,由于流体在接近壳体壁面处的突然转向使能量损耗迅速增大,造成壳程的沿程压力降增大,另外,由于折流板与壳体之间的旁流和换热管与折流板之间漏流及死区的存在(如 图1),使其壳程流动特性的缺点十分明显〔1-2〕。通过改变壳程折流板的布置,使壳侧流体称连续的螺旋状流动。因此,理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是,螺旋曲面加工比较困难,而且换热管与折流板的配合也比较难实现。考虑到加工上的方便,采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代曲面间相连接,在壳程内形成近似螺旋面, 使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动〔3〕(如图2)。 在螺旋折流板换热器中,流体在壳程内的流动方向是连续变化的。不存在突然转向的流动,极大的降低了流动阻力。流体与换热管有一螺旋倾角,流体螺旋状的绕过换热管束,不仅流动阻力小,而且不存 在滞死区,流动特性的优点是显而易见的。
2 实验
2·1 试验主要设备及仪器
本实验对壳体内径为250 mm,3台换热器芯组都是40根规格为25×2·5×3 000的换热管以正方形旋转45°方式排列而成,管子材质为Q235。25°、 40°螺旋角的螺旋折流板换热器芯组进行传热性能 及压降的研究。试验在辽宁石油化工大学的换热性能综合测试实验台上进行,主要测试仪表、设备为 测温:精密温度计,分度0·1℃,量程(0~50)℃ 和(0~100)℃;
测压:U型管压差计;
流量计:LZB-100转子流量计并联,量程(8~ 50)m3/h。
因为油的粘度较大,本试验设计为:管程走水ρ =998·2 kg/m3,流量定值为18 m3/h;壳程走油,密度 ρ=836 kg/m3。流量由小到大逐渐变化。
2·2 实验流程
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。管程介质为冷水,壳程介质为柴油,测试冷水与 柴油之间的换热效率。三个组成部分包括:(1)热油 的小储罐及加热部分;(2)冷水的大储罐;(3)循环动 力系统。
2·3 传热性能测试结果
2·3·1 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。
2·3·3 传热性能数据处理结果
2·3·4 数据处理结果分析
(1)螺旋折流板管壳式换热器改变了传统垂直 弓形板多次180°折返横向流的流动方式,减少了窗 口区流体大角度折返的压头损失,为介质提高流速 提供了可能性,提高了流速就是提高了雷诺数,因此 可以大幅度提高膜的传热系数。
(2)螺旋折流板管壳式换热器平稳的螺旋流动 方式,改善了传统垂直弓形板横向折返流造成的折 流板后换热面积五分之二左右的三角死区的弊端, 增加了有效换热面积,提高了整体换热效果。
(3)实践证明,换热介质粘度较大时,污垢热阻占总热阻的50%~70%。螺旋通道内高速旋转的介质流有利于冲刷壳程内的颗粒及沉淀物,消除结 构严重的三角死区,可减小热阻,这对于提高换热效率是极为有利的。
3 结论
(1)在同一冷水流量和同一壳程的条件下,螺旋折流板换热器的壳程传热系数大于弓形折流板换热器的壳程传热系数,并且随着冷水流量的增加,螺旋 折流板换热器壳程传热系数提高得越明显(见表1、 2、3)。螺旋折流板的传热系数近似为弓形折流板的 传热系数的1·2倍,可见螺旋折流板比弓形折流板换热效果好。
(2)在相同试验条件下,随着螺旋折流板螺旋角度的增大,螺旋折流板换热器壳程传热系数减小(见 表1、2)。螺旋角小的螺旋折流板换热器壳程传热 效率高。
(3)在同一冷水流量的试验条件下,螺旋折流板换热器比弓形折流板换热器的壳程压降小(见图3、 4)。
可见,螺旋折流板换热器比弓形折流板换热器壳程流动阻力低、传热性能好。
参考文献
〔1〕王素华·螺旋折流板换热器流动性研究〔J〕·石油化 工高等学校学报,2001,14(3):64-67·
〔2〕宋小平·提高管壳式换热器效率的研究〔J〕·中国石 油化工2005年上卷,146-148·
〔3〕王秋旺·螺旋折流板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):881-885·
〔4〕张少维·结构和操作参数对螺旋折流板换热器性能 影响〔J〕·石油化工设备,2004,33(5):17-20·
〔5〕秦叔经,叶文邦编著·换热器〔M〕·北京:化学工业 出版社,2003·
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