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波纹管换热器技术性能强化分析及在电力供热的应用点击：1969 日期：[ 2014-04-26 22:05:47 ] |
| 波纹管换热器技术性能强化分析及其在电力供热领域的应用 吴守杰 [中国有色(沈阳)冶金机械有限公司,辽宁沈阳110141] 摘要：本文阐述了波纹管换热器强化传热机理理论,论述了与传统壳管式换热器各项技术性能和综合经济指标的比较,分析了热交换设备的必然发展趋势和不断技术创新的必要性。 关键词：湍流;边界层;强化传热;波纹换热管;传热系数 中图分类号：TF066 文献标识码:B 1 前 言 波纹管换热器是应用强化传热原理和优化换热 管综合性能而推出的新型高效传热热交换设备。是 一种高新技术的强化传热节能型新产品。本高新技 术的推出形成了一整套强化传热机理理论,有传统 壳管式换热器不可比拟的性能优势,同时促进并实 现了换热设备的更新,它是以薄壁不锈钢等金属材 料的波纹换热管束代替直管换热管束,修正内部结 构,依据压力容器等相关国家专业标准设计研制而 成,本产品已经在电力供热领域,石化工业等行业得 到了成熟的应用和推广。 2 技术分析 由传热基本方程:Q=K·A·△t(1) 可知:增大传热温差△t、增加传热面积A、提高 传热系数K是换热器强化传热的三种途径。 传热温差主要决定于冷、热两种介质的温度条 件,若系统情况允许应尽量选择逆流,但一般已经为 生产操作条件所确定;本产品换热管代替原等直径 光管.在保证管束排列的基础上不仅增加了传热面 积.更主要的是激发流体湍流的流动效果;提高传热 系数是本产品强化传热的重点,它对传热效率和综 合经济效益起着关健性作用。 2.1 介质流动状态的强化 壳管式换热器的换热管均为平滑壁面的直管, 由于管内流体与壁面的粘接(粘性)作用,在流体与 壁面的接触处形成具有层(滞)流状态的边界层。当 流体进入直管初始时流速均匀,虽着介质的流动边 界层厚度δ增加且边界层内流速逐渐减小直至为 零,同时虽着边界层厚度的逐渐增加管中心部位的轴向流速也逐渐增大(x0段),而当流速V(会使Re 增大)增大到一定程度时流动即由层(滞)流状态转 变为湍(紊)流状态(x1)。(示意图和运算公式略)。 根据流体理论一般确认:Re<2300为层流流 动状态。Re>104湍流流动状态。 2.2 换热管的优化形状及传热性能 经过大量实验和实际应用得出核心元件(换热 管)的优化形状是保证强化传热的主要条件。形状 的选择是基于以较小的流速激发湍流并实现如下功 能: (1)由于换热管规律性的形状尺寸(见图1),使 管内介质流动状态的改变不需要大的雷诺数(即流 速较低).流阻较小,所以介质的任意扰动状况使流 体不能形成与轴线平行的流股,进而流体介质的温 度,密度、粘性分布及杂质含量沿径向都是均匀的, 强化了换热管的热工性能。 (2)换热管的形状优化在保证L1/D1<2条件 下,L1、L2段前后具有“引射效应”与“节流效应”,即 两次变向扰动,故两区域全部内表面都受到流体介 质的充分冲刷而不能形成边界层和污垢层,进而管 内传热性能大幅度地提高。 (3)由于管壁很薄且具有r1、r2曲率,排除了轴 向与径向应力的集中使其具有温差作用下的可伸缩 性,使表面污垢杂质容易脱落,因而换热管具有较强的防垢和自动除垢作用,所以进一步强化了管内外 的给热性能。 2.3 传热系数及其计算 传热系数K是换热器的重要性能指标.也是本 高新技术强化传热的最主要实施点。由于换热管良 好的传热性能,使热阻最大(约占全部热阻90%,是 边界层外热阻的十几倍)的边界层处热阻急剧下降; 又由于管内流体不断往复的任意扰动介质均匀分 布,污垢杂质层也得到有效的破坏.从而明显地扩大 了低热阻区域,使管内外传热得到了显著的强化,故 而波纹管换热器的传热系数与壳管式换热器相比有大幅度的提高。 传热系数是各热阻之和的倒数;从而得出传热 系数K的计算公式: 波纹管换热器是通过波纹管束管内流和管外横 向流换热系数的实验数据研究,并把每一热阻都修 正在同一参考面积下进行计算,在大量数据处理基 础上综合各方面因素确定如下公式(参见表1与等 流动条件直管比较)进行计算的。 由前述推论和表一公式可知,本产品管内外换 热系数有较大幅度地提高,所以总传热系数K值也 显著提高,通常是壳管式换热器的2~3.5倍。 2.4 波纹换热管的强度耐压等性能特点 本产品换热管除具有良好的传热性能外,还具 有如下性能特点: (1)薄壁换热成型具有严格的成形工艺和形状 尺寸,它是在无任何轴向拉(压)、即在自由状态下单 波自动连续成形,所以其减薄量极小(远小于10% 壁厚),使整体管束具有良好的韧性、刚度和轴向伸 缩性能特点,避免了换热管束在设备使用过程中由 于振动等原因造成的与折流板等部件的碰撞磨损; 同时能够补偿两换热介质之间的温差变形。 (2)薄壁换热管(壁厚0.5~1.2mm)经过试验 实测和本产品的应用,证明其具有一定的耐压能力(承压1.6~8.0MPa),是一个性能良好的受压元件 (实验数据及结果略)。 3 技术性能的综合强化 波纹管换热器的综合强化是从以下各方面得以 保证的: (1)根据设备运行技术参数,通过工艺选型计 算确定本产品的规格和换热能力。工艺设计计算时 有限制地增加管内流动速度(以防止流阻过大和管 束的振动噪音等)促进湍流,以提高传热(换热K- V关系曲线略)效率; (2)设计制造执行GBl50-1998和GBl51- 1999等压力容器国家标准及企业波纹换热管技术 条件,并力求实换热管,管扳、法兰等硬件与流程、介 质种类腐蚀程度、压力,温度等软件的良好配合。换热管通常选用1cr19Ni10Ti不锈钢等,也可根据介 质腐蚀情况及具体使用要求选用00cr17Ni14M02、 铜及钛合金管材等; (3)波纹换热管自身的性能特点使其能补偿壳 程与管程之间温差产生的轴向拉脱力,使壳体省掉 了膨胀节装置,也所以从结构上避免了介质泄漏和 介质混合现象。由于不锈钢换热管具有良好的韧 性、耐压(压降P-V关系曲线略)性能及抗腐蚀性 能,均使整体设备使用寿命大大提高; (4)产品不仅换热效率高,而且从传热机理上 几乎排除了堵塞和结垢的可能性,从而明显降低了 设备的维修量,增加了使用寿命。由于单位换热管 面积增加和传热系数的显著提高.故本产品整体设 备结构紧凑,体积重量小,综合性能优良。 4 应用比较 当前我国电力能源工业发展迅速,火力发电厂 是靠烧煤或煤气或燃油等为国家提供电力,热电厂 除供应电能外,更主要的是利用蒸气机已经作过功 的蒸气或气轮机排出的废气为区域生产生活供热 这样就需要一定数量的换热设备,随着供热技术的 发展和换热设备的不断创新,改造更换、使用换热设 备就要考虑设备投入的综合经济效益。 以某热电厂的改造项目为例:更换一台汽一水 型立式(悬挂)换热器。用波纹管换热器替代原壳管 式换热器,考虑改造前安装基础,管口连接方位和操 作空间等限制,所以满足用户具体要求故改造后仍 保证其外型规格足寸(该换热器结构示意见图2)。 其筒体、封头壁厚的材质强度应分别符合压力 容器强度校核公式理论并园整;法兰、管板等按相应 标准等级设计选取。折流板(支撑板)采用园(盘)环型设计结构,其余参见表2。 4.4 技术经济指标比较 由上述改造设计方案(含表2)可得出比较结 果:改造后传热系数提高了近3倍;换热效率提高了近2倍;设备重量降低了近1/2;使用寿命提高了2 倍以上;280℃蒸汽替代320℃蒸汽,蒸汽是靠燃 煤提供的热量而获得的,减少了投资同时也降低了传热温差,节省能源消耗;仅一项就使该热电厂节省标准煤近50万元/年。另外由于本产品自身性能特 点而大大降低了维修工作量,所以其综合经济效益大幅度提高。 5 结 论 波纹管换热器节能降耗强化传热,结构紧凑使用耐久,并兼顾了壳管式、板式等换热器的各自优点,其换热效率高,综合经济效益显著,是强化传热 高新技术的节能型热交换设备,但也有待于进一步 技术完善和改进创新。 参考文献: [1] 上海化工学院.化学工程[M].化学工业出版社,1980. [2] 杨世铭.传热学[M].高等教育出版社,1980. [3] 郎 逵.波节(纹)管强化传热换热器的开发与应用(节能) [M].1994. [4] 化工机械手册编委会.化工机械手册[M].天津大学出版社, 1991. [5] 付尚信,郎 逵.高效热交换器数据手册[M].机械工业出版 社,1981. [6] 全国容标委.GB150-1998钢制压力容器[M].中国标准出版 社,1998. [7] 全国容标委.GBl51-1999管壳式换热器[M].中国标准出版 社,1999. [8] GB16749-1997压力容器波形膨胀节[M].中国标准出版社, 1997. |
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