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螺旋折流板列管式换热器在轮机工程中的应用

点击:2165 日期:[ 2014-04-26 22:13:37 ]
                           螺旋折流板列管式换热器在轮机工程中的应用                                       彭韬    金跃波     摘要:介绍了螺旋折流板列管式换热器的结构特点,对其流动换热的机理以及影响因素作了分析,并的对其在轮机工程中的适用问题提出了看法。     关键词:换热器 螺旋折流板 传热     中图分类号:TK414.2+12    文献标识码:A    文章编号:1006-7973(2007)09-0219-02     一、前言     热交换器是船舶轮机中广泛应用的不可缺少的重要设备之一。诸如,压缩空气冷却器、主副机滑油冷却器、气缸套淡水冷却器、燃油加热器、蒸汽凝水器、给水加热器等。壳管式换热器处理能力大,高温高压适应性强,换热表面清洗方便,因此,是船上管式换热器中的主要型式。传统的管壳式换热器中大多采用弓形隔板支撑,流体在壳程呈“Z”形流动,弓形折流板使流体垂直冲击壳体壁面,造成较大的沿程压降;折流板与壳体壁面相接处产生流动滞止死区,降低了换热效率;高质量流速的流体横掠换热管束,可以诱导换热管的振动,缩短了换热器的寿命(如图 1)。                             螺旋折流板换热器是近年来提出的一种新型换热装置。由于其流动与传热优势得到了日益广泛的应用(如图 2)。实践证明,这是一种比传统垂直弓板折流和杆折流列管式换热器有相当优势的换代产品。其主体设计思想是将数块扇形板布置成与换热器轴线成一定倾斜角度排列的近似螺旋形,使流体呈螺旋状流动。常见的设计形式是每块折流板占壳程横截面的 1/4,首尾相接。这种结构的换热器能有效降低壳程压力损失,流动死区小,不易结垢,并且流体的湍动效果有所加强,有利于强化传热。探讨其流动与传热特性以及压降等方面的性能,对其在轮机工程中的应用有一定的指导意义。                          二、螺旋折流板换热器机理分析      1.结构原理分析     壳管式的传热面由管束构成,流体在管外壳内流动,称为壳程;另一流体在管内流动,称为管程;内部通常设有折流板以支承管束,提高壳侧表面传热系数。     螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置,使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。因此,理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是,螺旋曲面加工困难,而且换热管与折流板的配合也较难实现。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)替代曲面相间连接,在壳侧形成近似螺旋面,使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动。一般来说,出于加工方面的考虑,一个螺距取 2~4 块折流板,相邻折流板之间有连续搭接(图 3a)和交错搭接(图 3b)两种方式,按流道又可分为单螺旋(图 3a、3b)和双螺旋(图 3c)两种结构。                            从图示 4 螺旋折流板折流示意图可知,螺旋折流板换热器壳程中的介质流动围绕换热器管束中心轴呈螺旋状向前连续平稳流动,极大地提高了管、壳程介质的传热效率,较大幅度地降低了壳程压力降,减少了换热器管束的振动。                           2.传热性能分析     传热系数是传热过程的综合反应,它的大小表征了过程传热能力的强弱,是衡量换热器传热性能的重要指标。      在螺旋流中,由于切线速度产生作用在流体上的离心力,流体外侧的压力升高,内侧压力下降,流体在内外压差的作用下从外侧向内侧流动,同时中心的流体出现回流,造成二次流。螺旋流和二次流相迭加,使湍流强度大幅度增强,并使湍流度径向分布均匀化,从而增强换热。二次流动的强烈冲刷既可增强换热又有除垢的独特优点。同时流体在壳程产生旋转流动,在离心力的作用下流体周期的改变速度方向,加强了流体的纵向混合,从而能够强化传热。在一般情况下,传热系数要比弓形折流板形式高 40%左右。因此,在同样热负荷的情况下可减小换热器的尺寸和质量。      螺旋流动的流体斜向冲刷管束,在倾斜和旋转的双重作用下,使速度边界层变得很薄,使换热系数大大增大 。      在螺旋折流板换热器中,因为壳侧流体螺旋流动,流体会不对称地从管子的两边分离,同时管子上的边界层会产生螺旋状的流路。这种现象会改变普通边界层分离的特点,使边界层减薄及增强边界层的扰动性,从而增大传热效率。      粘度较大介质的换热,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在壳程内冲刷走颗粒物及沉淀物,消除了结垢严重的三角死区,这对于换热效率的提高极为有利。    3.压降损失分析    弓形折流板垂直于换热管束,介质流动方向改变大,产生的压力损失也大,这是弓形折流板换热器能耗大、压力降大的主要原因。螺旋折流板换热器中的介质在壳体内连续平稳旋转流动,没有急剧的流向改变,因此,壳程介质压力降较小。在相同流量条件下可使压降减少 45% 左右。    4.抗振性能分析    螺旋折流板换热器壳程流体与管子轴向有一角度,减小了流体对管子的直接冲击,螺旋折流板的连续支撑减小了管束跨距,使管子和流体产生的振动频率差距加大,避免了共振。因此,螺旋折流板换热器有良好的抗振性能。      三、螺旋折流板换热器在轮机工程中的应用      螺旋折流板换热器的最大特点是单位压降下的壳侧换热系数高,这就意味着在获得相同的壳侧换热系数条件下,其壳侧阻力将小于弓型折流板换热器的,同时其流量要大于弓型折流板换热器的。因此,螺旋折流板换热器在壳侧压力降或污垢热阻限制比较严格的场合,以及流体诱导振动比较严重的场合尤其显示出其优越性。     与传统弓形折流板式换热器相比更适用于较粘稠的介质及结垢严重的介质。螺旋折流板换热器具有流道流程长、单一且弯曲的特点。流体在螺旋型流道中流动产生的离心力能增加流体扰动,及时破坏高粘度液体在管子上形成的液膜,对沉淀型污垢有自洁作用,适用于高粘介质,如原油、渣油等。螺旋折流板换热器具有良好的抗振性,特别适用于介质流量波动较大或汽液两相的工况。     壳程侧无滞流区与死区,无污垢沉积,因此,换热器在整个使用周期内总传热系数下降很小,在装置的使用后期仍然具有良好的操作性能,可延长检修周期。     螺旋折流板列管式换热器不宜用于冷凝器。在冷凝换热场合,因为气体流动阻力较小而且壳体不存在死区,不易结垢,垂直弓形板折流可以很好达到冷凝换热效果。在螺旋折流板列管式换热器中,螺旋流上升气流影响凝液下降,有时会在一定程度上抵消倾斜板引流作用。所以冷凝器未经合理的工艺计算不宜选用螺旋折流板列管式换热器。尤其是冷凝量较大,壳体底部液面有一定高度将形成水封闭而使螺旋流间断时,更不能选用螺旋折流板列管式换热器。     螺旋折流板换热器也有一定的缺点,其螺旋折流板和定距管的加工较弓形折流板换热器困难,需要专用的加工胎具,因此,其价格略高于弓形折流板换热器。         参考文献     [1] 徐彬,张麦贵.螺旋折流板换热器在常减压装置中的应用.[J].石油化工设备.2OO3.9:53~54.     [2] 王素华,王树立,赵志勇.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):64~67.     [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.2004.9:881~885.     [4] 郭祖平.轮机工程基础.[M].大连:大连海事大学出版社.2000.     [5] 王秋旺.传热学.[M].西安:西安交通大学出版社.2001.
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