u形管换热器
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螺旋折流板换热器的总换热系数和压降的研究点击：2056 日期：[ 2014-04-26 22:00:34 ] |
| 螺旋折流板换热器的总换热系数和压降的研究 石玉 宋天民 张国福 赵娜 石秋红 刘兴全 辽宁石油化工大学（辽宁 113001） 【摘要】通过试验，在不同的流量下，对30°、40°螺旋折流板换热器与相应的弓形折流板换热器进行了壳程传热性能和压降性能的对比。得出螺旋折流板结构的螺旋流动强化了传热，减小了壳程阻力。与相应的弓型折流板相比，螺旋折流板换热器的最大特点是单位压降下的壳程换热系数高，且40°螺旋折流板换热器传热效果更好。 【关键词】螺旋折流板 弓形折流板 螺旋角 总传热系数 一、前言 换热器是工业生产中的一种重要设备。在化工、石油化学、食品等行业中有着广泛的应用。在石油化工行业中主要采用管壳式换热器，弓形折流板换热器最为常用（见图1）。随着工业的发展，节能越来越重要，对换热器的要求也越来越严格，不仅希望换热效率达到要求，同时消耗较小的动力。螺旋折流板换热器是应这些要求在当前工程实践中出现的较为先进的一种换热器（见 图2）。 螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器的根本区别在于折流板在壳体中结构形式的变化。弓形折流板在壳体内垂直于换热管束，使壳侧形成若干个并列折返通道，介质急剧改变流向必然产生严重的压力损耗，同时在两个折流通道变向过渡区域，流体取最短路程斜向前进，就形成一个介质相对静止的三角形区域，导致换热效率低。螺旋折流板换热器是将折流板布置成近似的螺旋面，使换热器中的壳侧流体实现连续的螺旋状流动，有效地降低了壳程的流动阻力和强化了传热。 二、试验 1.试验主要设备及仪器 试验在换热器性能综合测试试验台上进行。试验件为卧式管壳式换热器，30°、40°螺旋折流板换热器和相对应的弓形折流板换热器，芯组都是由44根两管程长2498mm,19mm×2.0mm换热管排成。螺旋角为30°时，螺距为405mm，相对应的弓型Ⅰ折流板换热器的弓板间距为400mm。螺旋角为40°时，螺距为590mm，相对应的弓型Ⅱ折流板换热器的弓板间距为600mm。 主要测试仪表见表1。 2.试验流程 装置主要包括两个回路、四个部分。两个回路为：换热系统的管程部分和壳程部分。试验时测试水-油换热试验。冷流体走管程，热流体走壳程。四个部分包括：①冷水的储罐。②热水的储罐及加热系统。③热油的储罐及加热部分。④ 循环动力系统。试验流程图见图3。 整个测试包括壳程阻力性能和壳程传热性能 两部分，测试中管程走水（密度为998kg/m3），壳程走油（密度为836kg/m3）。管程流量定值为：18m3/h。 三、试验数据及分析 管内走冷水，壳程走热油，测试结果见表2。 1.壳程压降随流量变化关系 从图4可以看出：随着壳程流量即（Re）的增加，螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器壳程阻力都增大。在相同的壳程流量情况下，30°螺旋角的壳程阻力大于40°螺旋角的壳程阻力；弓形折流板换热器的壳程阻力大于螺旋折流板换热器的壳程阻力；随着流量的增大，壳程阻力增大的速率越大，螺旋折流板换热器和与相应的弓形折流板换热器的壳程阻力差距越来越大。 螺旋角为30°与40°时，切向速度大于轴向速度，螺旋角越小，切向速度则越大，脉动速度也越大；螺旋角相同时，流量的增大使边界层变成湍流边界层，分离点提前，管束后面产生大量的漩涡，漩涡运动增强流体径向混合，使径向速度分布趋于均匀，脉动速度增大；脉动速度越大，壳程阻力越大。 在螺旋折流板换热器中，折流板的螺旋布置形式对壳程流体起导流作用，壳程流体呈螺旋状流动，在折流板附近几乎不存在流动死区。这种流动特点有利于减小壳程流体压力损失。而在弓形折流板换热器中，壳程流体主流速度方向与折流板法向夹角很小，这样的冲击在折流板正面形成很大的速度梯度，同时由于流通截面的突变而在圆缺处形成高速流动区和折流板背面的回流区。回流区的存在增加壳程压降。所以壳程流量相同时，弓形折流板换热器的壳程阻力大于螺旋折流板换热器的壳程阻力。 2.壳程总传热系数随流量变化关系 从图5可以看出，不论是弓形折流板换热器还是螺旋折流板换热器，随着壳程流量的增加，壳程传热系数都增大。壳程流量相同时，螺旋折流板换热器的壳程传热系数随着螺旋角的增大而减小；螺旋折流板换热器的壳程传热系数大于相应的弓形折流板换热器的壳程传热系数。 在相同的壳程流量下，壳程传热系数随着螺旋角的增大而减小。主要原因是：①对于螺旋折流板换热器，壳体内径、螺旋角及折流板间距三者是相互关联的。当壳体内径一定时，折流板间距随着螺旋角的增大而增大，因此，壳程最小截 面面积也随之增大。在相同的壳程流量下，大螺旋角试件最小截面的流速较低，不利于换热。②螺旋角越小，流动的切向分量越大，越有利于横向冲刷换热管，减小边界层厚度，增强流体脉动，有利于换热。③切向速度分量可使流体产生离心惯性力，在离心惯性力的作用下，产生二次流动，既沿半径方向流动，也使流动扰动大幅度增加，所以增强了换热。 在弓形折流板结构下，流体流过每一块折流板都会产生返混流，且滞止区内流体返混情况更加严重，因而传热温差较低；由于制造公差的存在及安装要求，管束与壳体存在一定的缝隙，使壳程存在较大的旁路流动，即壳体壁面附近的切向流动，折流板与壳体壁面之间及换热管与折流板之间存在漏流，旁流及漏流降低了有效的横掠管束的质量流速，故减小了壳程的换热效率。 在螺旋折流板结构下，螺旋流动在流体上产生离心力，在离心力的作用下速度方向周期性改变，从而加强了流体纵向混合；另外涡流产生的二次流动的强烈冲刷增强了换热；螺旋流动的流 体斜向冲刷管束，使速度边界层变得很薄，使换热系数大大增大；螺旋流动和径向二次流动的叠加，使湍流度大幅增强，从而增强了换热。 3.壳程单位压降下壳程传热系数和流量之间的关系 从图6可以看出：随着壳程流量的增加，单位压降下的壳程传热系数迅速下降，然后趋于平缓。在相同的壳程流量下，30°、40°螺旋折流板换热器单位压降下的壳程传热系数的规律是随着螺旋角的增大而增大。不同试件单位压降下的壳程传热系数的规律是螺旋折流板换热器的大于弓形折流板换热器的。在试验过程中，螺旋折流板换热器与之相应的弓形折流板换热器换热性能有较大的提高。流量在100～400L/min的范围内，壳程单位压降下总传热系数值，30°螺旋折流板高于弓型折流板63.31%以上；40°螺旋折流板高于弓型折流板90.31%以上。 四、结论 (1)螺旋折流板换热器与相应的弓形折流板换热器相比，其特点是单位压降下的壳程传热系数高。这就意味着在获得相同的壳程传热系数条件下，螺旋折流板换热器壳程阻力将小于弓形折流板换热器，同时其流量要大于弓形折流板换热器。 (2)螺旋折流板换热器的螺旋折流板使流体 在壳程产生旋转流动，从而增强了换热。 (3)综合考虑，在螺旋折流板换热器中，40°螺旋角的传热性能优于30°螺旋角的。 五、建议 (1)换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多。在通过扩大传热面积强化传热方面，不仅可以通过壳程强化传热，还可以通过管程强化传热。如：螺旋槽纹管、横纹管和螺旋扁管等。 (2)目前设计的螺旋折流板换热器在壳程入口和出口附近，流体的流态同弓形折流板换热器区别不大，可以把入口和出口改成切向接口，使壳程流体直接以螺旋流体流动，以提高换热降低压降。 (3)螺旋折流板换热器可以由单壳程改为双壳程。双壳程比单壳程流通截面积减小了一半。可以在不失掉最佳倾斜角的情况下，得到了宝贵的高流速，确保螺旋折流板换热器在传热、压降、抗结垢及抗振动等方面的优势。 参考文献 [1]梅娜/螺旋折流片换热器壳程传热与流动的数值模拟[J].工程热物理学报，2005，26(2). [2]张克铮.螺旋折流板换热器的开发与研究(Ⅱ)———低粘度流体下的中试研究[J].抚顺石油学院学报，1998，18(3). [3]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). [4]王素华.螺旋折流板换热器流动特性研究[J].石油化工高等学校学报2001.14(1). [5]宋小平.提高管壳式换热器换热效率的研究[J].中国石油化工科技信息指南.上卷，2005. [6]王秋旺，罗来勤，等.交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能展[J].化工学报，2005，56(4). . |
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