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波纹管换热器管束支撑结构点击：2012 日期：[ 2014-04-26 22:14:13 ] |
| 波纹管换热器管束支撑结构 董其伍 刘敏珊 李燕 (郑州大学热能工程研究中心,河南郑州450002) 摘要:根据各种管束支撑结构的特点,找出与之相适应的波纹管管型,分析不同的组合结构对波纹管换热器壳程性能的影响,指出对波纹管换热器进行优化设计和实现整体强化传热的途径。 关键词:波纹管换热器;管束;支撑结构;壳程性能中图分类号:ＴＱ051 文献标识码:Ａ 文章编号:1004-7948(2006)02-0019-03 1.引言 改变流道截面是强化传热的一个重要途径。波纹管换热器是这一强化传热途径的代表产品。它不仅可以强化管内传热,还对强化管外传热有很好的效果,是目前应用比较广泛、有良好推广前景的新型换热器。 2.波纹管换热器的发展及特点 2.1 波纹管换热器的发展[1～5] 早在20世纪70年代,就有人提出将波纹管作为换热管用在管式换热器上。迄今为止,已产生了许多不同形状的波纹管。波纹管从波形上分为螺旋形波纹和环形波纹两大类。螺旋型波纹管就是通常所说的螺旋槽管,其结构如图1所示。 环形波纹管的波形大致可分为以下几类:波鼓形、梯形、缩放形,横纹管及波节管(如图2～6所示)。 2.2 波纹管换热器的特点[6～10] 从波纹管的结构形状可以看出:单位体积内波纹管换热管束的表面积比光管换热管束大;当介质在管内外流动时,介质的流速与压力都呈现有规律的变化。在波纹管的扩张处发生喷射效应,在缩径处发生节流效应,这两种效应使得管壁内侧产生无数小旋涡,冲刷了流体的边界层,使边界层减薄,加强了流体的湍流,同时使得管内垢膜及沉积物难以在管壁处生成和聚集。所以具有较强的防垢防堵能力。 另外,波纹管在小流速下即可达到湍流状态,而不必考虑利用小管径来增加湍流状态,因此,换热器管径可以选的大一点,以减少压力损失。 总之,波纹管换热器具有传热系数高、阻力小、不结垢、节能、体积小等一系列优点,可广泛应用在热电、石油化工、节能、城市集中供热等领域。 3.波纹管换热器的管束支撑结构 波纹管大多用于管壳式换热器,其壳程可以采用折流板、折流杆、空心环、扁钢条进行支撑,也可利用波纹管特殊的管型,采用自支撑结构。下面对以上几种支撑结构在波纹管换热器中的应用分别加以分析。 3 1折流板式支撑[11] ＧＢ151 1999《管壳式换热器》规定:折流板(支撑板)的最小间距一般不小于圆筒内直径的1/5,且不小于50ｍｍ。而对波纹管换热器而言,管内流速比较低,在满足流速要求的前提下尽量缩短折流板的间距可以提高振动的固有频率。 由于波纹管管壁较薄,所以选用折流板时要注意:折流板的材料硬度要低于波纹管,同时折流板的厚度应适当加大,孔的两面应有倒角,以防波纹管受损。 如果折流板厚度取值偏小,可能会出现两种情况:一种是波纹管刚度较好,此处悬空,此时会因管子与折流板管孔之间间隙过大而出现管子振颤现象;另一种是波纹管刚度较差,折流板卡在波谷段,出现管孔另一侧漏流短路,影响换热效果,管子还易被折流板磨破。这两种情况都可能导致波纹管换热器失效。 在波纹管换热器中采用折流板作为支撑,除因壳程流体横向冲刷管束造成较大的振动和流体阻力、容易产生传热死区外,还会因折流板厚度较大使得重量较大。 3.2 折流杆式支撑 波纹管换热器折流杆结构与常用的折流杆结构基本相同。在这种结构中,支撑管子的折流杆与管子几乎不存在间隙,管束中每根波纹管的上下左右都得到了可靠的支撑,壳程流体的流动方向为纵向流动,可以有效的防止波纹管的振动破坏,提高换热器的使用寿命。 由于波纹管各处管径不同,在波纹管换热器中采用折流杆结构时,波纹管的波节距须基本相同,安装时每根波纹管的波峰、波谷纵向对齐,折流杆均安装于波谷位置。 对波鼓形、缩放管以及波节管来说,采用折流杆式支撑时,圆杆与管子的接触方式为点接触,对管子振动的抑制作用较弱,且容易对管子构成磨损。梯形波纹管采用折流杆式支撑时,圆杆与管子的接触方式是线接触,对管子的振动抑制效果较好。 3.3空心环支撑[3] 空心环支承是另一种新型支承结构,该支承结构将直径较小的钢管截成短节,均匀分布在换热管之间的同一截面上(为一组),呈线性接触,如图7所示。 目前采用空心环支撑的波纹管管型主要有横纹管和缩放管。 对于横纹管和空心环的组合结构,文献[3]中有详细的介绍,该支承结构可使壳程流阻减少,传热性能增强,缺点是管束固定工艺相对较复杂。 空心环缩放管管壳式换热器是由华南理工大学化工研究所研究开发的。有文献还提到了空心环网板支撑,这种结构的壳程周向流道空隙率非常大,故形体阻力非常小,机械支承强度上也可保证安全。 对波纹管换热器来说,在保证支撑环宽度的前提下,所有的管型皆可以采用空心环支撑,目前应用比较广泛的是空心环加缩放管的组合结构。 3.4 扁钢条支撑 扁钢条支撑与圆杆式折流杆支撑的区别在于以扁钢条代替圆钢杆,目的在于改善圆杆支承对抑制管子振动作用不良的状况。如图8所示。 扁钢条厚度相当于管间间隙,管子被扁钢条紧紧夹住,扁钢条与管子的接触方式为线接触,对管子振动的抑制作用较强,而且基本上保持了折流杆换热器优良的热力学性能。 扁钢条支撑适用于各种形状的波纹管。 事实上,就传统折流杆式换热器而言,其壳程进出口区域是管子受横向流作用而容易发生振动破坏的薄弱区域。因此,在这些区域采用扁钢条支撑,在远离进出口的区域,仍采用折流杆结构。这样即构成了一种“折流杆—扁钢条”复合结构,弥补了圆杆式支撑存在的抗振缺陷。 3.5 管子自支撑自支撑 结构通过采用自支撑管,如刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管来简化管束支撑,提高换热器的紧凑度。各种波纹管也具有周期性变化的截面,因此可以采用自支撑结构,如图9所示。 根据管型尺寸和介质性质,换热管布局可设计成两种组合类型。下面以梯形波纹管为例对这两种组合类型进行说明。 Ⅰ型:波纹管的管峰在壳体的同一横截面上对齐(见图10ａ),此时,壳程流通面积也像管内那样,沿轴向不断出现扩大与缩小的周期性变化,不仅能起到优于折流板的强化作用,还可使流动阻力降低并消除流通死区,这一类型适用于壳程流体流量不大、粘度较低的工况。 Ⅱ型:在壳程同一横截面上,波节管的管峰与相邻管的管谷相对(见图10ｂ)。此时,壳程流通面积沿轴向变化不大,但介质的流道却是曲折的,因此可得到较大的换热系数。这一类型适用于壳程介质流量偏大、粘度稍高的工况。 利用波纹管的自身特点实现自支撑,有以下特点: (1)换热器的整体换热面积显著增加,在换热量一定的情况下,可以减小换热器的体积,降低制造成本;由于制造工艺简单,使换热器更安全耐用; (2)管与管的自支撑使得管子的被支撑点增加,而且是同一种材料接触,是一种软接触,所以磨损和振动大大减小; (3)由于管子的束缚小,波纹管自身的补偿量可充分发挥作用,因此抗热冲击和抗结垢能力很强,提高了管子的寿命; (4)壳程流体与管程流体流动完全逆流,增大了有效温差,波纹管使流体产生强烈的湍流,大大提高了传热系数。 4 总结 从折流板支撑、圆钢杆式支撑、扁钢条支撑到管子自支撑,支撑结构逐渐趋于合理化,但是对于波纹管换热器来说,壳程流体流动非常复杂,对其壳程支撑结构的理论研究还很欠缺,实验研究也很不全面。利用目前广泛采用的计算流体力学(ＣＦＤ)方法对波纹管换热器在各种支撑结构及管型下的壳程流体流动状况进行模拟,得出支撑结构与各种波纹管管型的最优组合,无疑为研究波纹管换热器管束支撑结构提供了一条方便快捷的途径。 参考文献 [1]邱广涛,丰艳春.波纹管式换热器(一)———起源、现状与发展[Ｊ].管道技术与设备,1998,(1):43-45. [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):306-309,337. [3]贺元成,胡光忠.一种新型换热器的设计与制造[Ｊ].四川轻化工学院学报,2001,14(1):31-36. [4]郎逵.波节管强化传热式换热器的开发与应用[Ｊ].节能,1994,(7):44-46. [5]崔建伟,张沈东.纯逆流波节管换热器的设计与运行[Ｊ].节能,1996,(4):34-36. [6]姬晓军.波纹管换热管束的工业应用[Ｊ].石油化工设备技术,2001,22(1):20-23. [7]高志伟.波纹管强化传热机理及应用[Ｊ].东北电力技术,2000,(12):47-48. [8]宋艳茹,徐井海,张粹.波纹管式换热器高效节能[Ｊ].化工科技市场,2004,(4):29-30. [9]王泓伟,张志英.波纹管式换热器的特性研究[Ｊ].氮肥设计,1994,32(6):47-49. [10]丰艳春,邱广涛.波纹管式换热器(二)———在国民经济中的应用[Ｊ].管道技术与设备,1998,(1):42-43. [11]吴丽华.波纹管换热器及其在冰机冷冻系统中的应用[Ｊ].福建化工,2004,(3):52-57. 作者简介:董其伍(1941-),男,浙江鄞县人,教授,博士生导师,主要从事过程装备ＣＡＤ/ＣＡＥ/ＣＡＭ、数值模拟及强化传热方面的研究。 |
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