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螺旋纵流管壳换热器的传热机理与实现点击：1982 日期：[ 2014-04-26 22:21:40 ] |
| 螺旋纵流管壳换热器的传热机理与实现 杨 伟 齐向阳 狄军贞 (1．辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新123000；2．中国石油鞍山炼mr-，辽宁鞍山114011) 摘要：为了节省能源，提高管壳式换热器的热交换效率，在介质入口封头加装螺旋形折流板、介质出口封头加装旋转螺旋片，形成了一种新型高效管壳式换热器。采用强化传热椭圆换热管加工成螺旋形组成管束作为主要换热元件，改变换热器的结构形式和流程，形成壳程介质螺旋形流动方式，达到壳程内介质流量和管程内介质流量的合理匹配。理论分析和热工试验测试结果表明：椭圆螺旋管束换热器总传热系数高于普通换热器的总传热系数，并且加工成本降低，换热器体积减小，达到了节省能源、降低制造成本的目的，是换热器发展的一个新方向。 关键词：螺旋纵流管壳换热器；管程；壳程；总传热系数 中图分类号：TK172 文献标识码：A 0 引 言 螺旋纵流管壳式换热器是管壳式换热器的一种。它采用椭圆换热管加工成螺旋形状安装在壳体内，介质入口封头加装螺旋形折流板，介质出口封头加装旋转螺旋片，形成一种适用于液体介质间热量交换的新型管壳式换热器。笔者对该换热器传热机理进行了分析研究。 1 换热器结构 螺旋纵流换热器外壳由两侧封头和中间筒体组成，内部由椭圆螺旋换热管组成管束，椭圆螺旋换热管管束的表面构成换热器的传热面。椭圆螺旋换热管管束两端固定在螺旋形流量分配管、流量汇流管上，流量分配管、流量汇流管与壳体连接在一起。壳体的两端设有管箱，在管箱和壳体上设有流体的进出口。一种介质从一侧管箱流人筒体内，经过椭圆螺旋换热管管束表面换热后从另一侧管箱流出，称为壳程；另一种介质从筒体上的两个接管沿与筒体相切的角度流人两个流量分配管，经流量分配管进入椭圆螺旋换热管管束内，从另一侧流量汇流管汇流，经与简体相切的角度上的一组接管流出，称为管程。其结构形式如图1所示。 2 强化传热机理 2．1 壳程湍流条件下对流换热的场协同分析 过增元指出¨ ：埘流换热可等同于有内热源的导热，热源项的大小决定了对流换热的强度；源项的大小不仅取决于温差、流速和流体的物性，还取决于速度场与热流场协同的程度。对流换热的场协同理论为研究对流换热，优化和发展强化换热技术提供了新的思路。湍流是一种复杂的三维流动，其瞬时物理场(速度、温度等)是时间的随机函数，因而研究湍流换热过程要比层流换热复杂得多。对于稳态无内热源的湍流对流换热，不计黏性耗散的影响，其能量方程可写为： 从式(1)和(2)中可以看出，对流换热量与时均流速、时均温度梯度、舶和 有关。不仅如此，其速度矢量与温度梯度(或者说速度矢量与热流矢量)的夹角对对流换热起着重要的作用。实际上，上述各种因素并不是独立的，对流换热是诸因素共同作用的结果。欲使换热强化，需要各参数间的协同。式(1)和(2)还表明，和层流换热一样，场协同理论同样适合于湍流换热的强化，其换热强化均可由速度场和温度场协同程度的改善而获得。因此，除采用常规的壁面突起扰流强化和扩展表面强化外，可通过改善速度场和温度场的协同程度来实现湍流换热的强化，这为开发纵流管壳换热强化技术提供了新的途径。 2．2 介质的流动方式产生的传热效率提高 两种介质在壳程和管程内呈相对逆相流动。在壳程内椭圆螺旋换热管管束布置成两个主介质螺旋流动通道，叫主涡流腔；两个辅介质螺旋流动通道，叫辅涡流腔；其余椭圆螺旋换热管管束成螺旋形状均匀分布，介质也在椭圆螺旋换热管管束问隙中均匀分布。壳程介质首先从接管进入管箱，在管箱封头部分经固定螺旋折流板后均匀螺旋流动，经过流量回流管进入椭圆螺旋换热管管束问。在主涡流腔介质旋转向上流动，产生向心力和离心力，引导辅涡流腔内的介质旋转向上流动，带动整个壳程内的介质旋转向上流动。在旋转介质流动中心压力较低，使整个旋转介质受到向心力的作用；同时介质在旋转过程中又受到离心力作用。在向心力和离心力平衡的范围内，旋转介质形成涡流，涡流收束于核心区并流向介质出口，在出口管箱封头设旋转螺旋片，介质动压减小，静压增大，减小介质压力降。在涡流影响下，壳程中椭圆螺旋换热管管束问的流体与椭圆螺旋换热管管束壁面边界层流体充分混合，从而减薄了边界层，达到强化传热的目的 。壳程介质涡流流动，压力损失小，壳程介质可以在较低的压力下工作，降低了设备的运行费用，同时也达到换热器安全使用的目的。 管程介质从筒体上的两个接管沿与筒体相切的角度流人流量分配管的两个入口，介质经流量分配管均匀分配给每个椭圆螺旋换热管(外侧椭圆螺旋换热管内介质流速高，流动距离长，流动阻力大；中心处椭圆螺旋换热管内介质流速低，流动距离短，流动阻力小)，在椭圆螺旋换热管内螺旋流动。流量分配管和换热管截面采用的椭圆形截面具有强化传热 的功能，并且介质是沿螺旋线方向流动更能提高传热效率。 2．3 有效传热面积增大产生的传热效率提高 在整个热交换的过程中，壳程介质沿管束的螺旋形状布置形成螺旋腔引导介质沿螺旋方向均匀流动，因而不需要设置普通换热器中必须采用的弓形折流板。不存在弓形折流板及筒体介质人口处形成静止区和滞留区的“死区”，可提高传热效率15％ 以上 。 2．4 振动产生的传热效率提高 在换热器运行过程中，壳程和管程内介质逆向流动，换热管受到的纵向力基本平衡，但在壳程及换热管外侧，部分流体在0～45。横掠过椭圆螺旋管，在其两侧的下游交替发生漩涡，形成周期性漩涡层流，致使换热管上的压力分布也呈周期性变化，导致换热管产生纵向微小振动。传热表面的振动加强了流体的扰动，从而传热得以强化。 2．5 积垢清除对长期传热效率的提高 换热器运行一段时间后，在换热管管束内、外及壳体上会产生积垢。积垢是热的不良导体。椭圆螺旋管束换热器也存在同样情况，但它具有自洁功能。每当换热器开始运行和结束运行时，换热管都会因温度的变化而产生宏观的局部变形，使硬化层脱落；当温度稳定后，椭圆螺旋换热管达到稳定状态，积垢脱落完成。在介质的冲刷下，积垢流出换热器体内，流入出口处设置的过滤装置。 2．6 椭圆螺旋管束换热器的阻力 由于介质在管程和壳程流动的复杂性，椭圆螺旋管束换热器的阻力用计算方法计算非常困难，一般通过试验或现场实测确定局部阻力系数。椭圆螺旋管束换热器的阻力计算公式为 3 热工试验测试及计算 3．1 测试方法及结果 上述理论分析可知有多种方法能有效提高传热效率，但这种传热效率的提高还需要试验来证明。对椭圆螺旋管束换热器进行热T测试，系统如图2所示。 热水从锅炉房的分汽缸经调节阀、流量、温度、压力测量装置，由筒体上部进入椭圆螺旋管柬管程，由下部阀门、压力、温度测量装置流回集水缸；被加热水由冷凝水池经循环泵、调节阀、流量、温度计量装置从下部封头进入壳程，由上部封头流出，经温度、压力计量装置流回冷凝水池。测试结果如表1。 4 结 论 (1)椭圆螺旋管柬换热器仅限于液体介质的对流传热，对冷凝和沸腾传热不适用。 (2)该换热器采用传热强化技术中的椭圆形截面形式(普通圆形界面换热管扎制成椭圆形截面)，提高了流体与壁面间的对流传热系数。 (3)总传热系数 均高于普通换热器的总传热系数，提高了换热效率。 (4)换热器能自动清除积垢，保证其长期在高换热效率下运行。 (5)管程压损低，换热器可以在低压下运行，保证压力容器产品的安全可靠性。 |
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