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板棒式换热器传热与流阻性能的研究点击：1762 日期：[ 2014-04-26 22:21:12 ] |
| 板棒式换热器传热与流阻性能的研究 1.2.徐国想 2.邓先和 (1.淮海工学院化学工程系,江苏连云港222005;2.华南理工大学教育部传热强化与过程节能重点实验室,广东广州510641) 摘要:简要介绍了板棒式换热器的结构和工作原理,设计制造了板棒式换热器,对板棒式换热器进行了传热与流阻实验。实验结果表明:总传热系数理论计算与实验结果吻合较好,验证了模型公式的正确性。板棒式换热器是一种性能优良、结构紧凑的高效换热器,在硫酸工业等气体换热场合将有广阔的应用前景。 关键词:板棒式换热器;强化传热;传热实验;流动阻力 中图分类号:ＴＱ052.5 文献标识码:Ａ 文章编号:0253-4320(2007)05-0052-03 1 板棒式换热器简介 板棒式换热器是一种结构灵活、简单可靠的高效换热器[1]。采用适当长径比的金属圆柱肋棒焊在板面,肋棒分布在板的两侧,四周密封,这样就构成了一个简单的板棒式换热器,根据需要可设计多个流道,特别适用于两股流和多股流换热,板棒式换热器结构如图1所示。 板棒式换热器的工作原理如下:热流体通过对流和辐射传热,将热量传输给金属肋棒,通过金属肋棒本身的导热传热,将热量传输给冷侧的金属肋棒,然后通过对流和辐射,将热量传递给受热流体。此时的板面传热量较小,因而可以适当增加板面厚度,以提高其寿命。由于肋棒完全暴露在流道中,导热性能好,热量传输距离很短,单位体积的换热面积很大,因而该种换热器既具有较好的传热性能,又具有较好的紧凑度;结构坚固,克服了传统折流板换热器的振动问题,可以采用高流速,使换热器换热能力及寿命大大提高;可广泛用于锅炉烟气余热回收、硫酸转化等工业过程的气体换热,可使换热器的换热强度增强数倍以上,从而使换热器的尺寸和质量大大减少,并带来显著的经济效益。笔者已经从理论上对板棒式换热器进行了一些探讨,给出了优化设计的基本依据[2-3]。在此基础上,试制出了板棒式换热器装置,旨在通过传热与流阻实验,验证模型公式的准确性。 2 传热与流阻实验 2 1 实验流程与装置 2 1 1 实验流程 实验流程包括蒸汽发生部分、实验测试部分和数据采集部分等,如图2所示。实验的主要步骤如下:将板棒式换热器按要求装配到实验工作台上,检查实验装置的气密性,蒸汽夹套的试验压力为3ｋｇ/ｃｍ2;启动风机和蒸汽发生器,使其工作压力达到额定正常工作状况,分别通入空气和蒸汽,开启排空阀,排除蒸汽夹套中的不凝性气体。调节冷空气流量,依次由高到低进行实验,在换热过程达到稳态后记录相应的实验数据,包括空气的流量、进出口温度、压降及蒸汽温度等。 2 1 2 实验装置 为了测定板棒式换热器的传热与流阻性能,在分析与计算的基础上,设计了该实验装置。肋棒侧通入冷空气,外侧夹套内通入蒸汽加热,实验装置的总体结构与板棒侧结构分别如图3和图4所示。 2 2 结果讨论 2 2 1 传热性能分析 以板面为基准的总传热系数的实验值可由Ｑ=ＫＡΔｔｍ得到。式中Ｑ为传热量(Ｗ);Ｋ为总传热系数[Ｗ/(ｍ2·Ｋ)];Ａ为板面面积(ｍ2);Δｔｍ为对数平均传热温差(Ｋ)。 在相同实验条件下,采用文献[3]中导出的总传热系数公式对总传热系数进行了理论计算,并对实验值与计算值进行了比较,结果如图5所示。 从图5可以看出,实验结果与模型计算结果基本上吻合,表明文献[3]中建立的理论分析模型基本是正确的。模型计算式中的板面传热膜系数按照平板传热计算,由于板棒换热器中的板面传热受到肋棒扰流的影响,故板面的实际传热膜系数比单纯的平板传热系数要高,因此实验值比计算值稍大一些。 由总传热系数的定义式,可分离出肋棒侧各局部传热膜系数。因为蒸汽冷凝换热系数比空气对流换热系数大近100倍,为简化计算,近似取蒸汽侧的冷凝换热系数为10000Ｗ/(ｍ2·Ｋ),可满足实验精度的要求。图6给出了不同操作Ｒｅ条件对板棒侧各局部传热膜系数的影响。 从图6可以看出,各传热膜系数均随操作Ｒｅ的增加而增大,其中肋棒对板棒侧传热的贡献比板面大得多。图7给出了不同操作Ｒｅ下的肋棒效率。 从图7可以看出,在操作Ｒｅ较低时,随着Ｒｅ的升高肋棒效率降低较快,在Ｒｅ增加到10000附近时,肋棒效率下降较为缓慢,基本稳定在0 55左右。这表明该实验设计的肋棒结构具有较好的强化传热作用。 由图8可以看出,随着流量的增大,压降增加的幅度较大。结合图8与图5可知,文中设计的板棒式结构具有较低的流阻与较高的总传热系数,综合传热效果良好。从图9可以看出,在Ｒｅ低于2000时,阻力系数随Ｒｅ增加而急剧下降;Ｒｅ为2000～6000时,阻力系数有所波动,估计是流动形态进入过渡区所致;Ｒｅ在6000以上时,阻力系数随Ｒｅ增加而趋于一常数,表明肋棒侧的流动形态随着Ｒｅ的增大已基本进入完全湍流区。 3 结论 根据优化分析结果,设计制造了板棒式换热器,并进行了传热与流阻实验,验证了实验模型和模型公式的准确性。实验与分析结果都表明,板棒式换热器是一种性能优良、结构紧凑的高效换热器,在硫酸工业等气体换热场合将有广阔的应用前景。 参考文献 [1]华南理工大学.板棒式换热器:中国,992588.7[Ｐ].2000-11-15. [2]邓先和,徐国想,张亚君.板棒式换热器传热性能分析(Ⅰ)[Ｊ].华南理工大学学报,2001,29(1):38-39. [3]邓先和,徐国想,张亚君.板棒式换热器传热性能分析(Ⅱ)[Ｊ].华南理工大学学报,2001,29(2):51-53. [4]尾花英朗.热交换器设计手册(下册)[Ｍ].徐忠权,译.北京:石油工业出版社,1982:684-689. |
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