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静态混合元件及其在换热器设计中的应用

点击:2600 日期:[ 2014-04-26 22:45:05 ]
魏洛军  摘要 介绍静态混合元件的两种形式及该元件在换热器设计中的应用。 关键词 静态混合元件 传热 换热器设计   静态混合元件在传热及其它领域中所起的作用已被人们所接受。目前应用最广泛的Kenics元件具有传热效果好、制造工艺简单的特点,从而被大量应用在换热器等工业设备上。但是其加工量大、安装麻烦等缺点,却大大影响了生产制造效率。郑州工业大学提出一种改进型Kenics 静态混合元件(以下简称GK 型元件) ,克服了Kenics元件在制造上的缺点,特别是作为大中型换热器的强化传热元件与Kenics 元件相比,其加工制造、安装生产效率能提高几倍,甚至十几倍。同时,它又保留了Kenics 元件的基本结构单元,具有强化传热、降低阻力的特点。因此, GK 型元件具有很高的应用价值。 1  Kenics 元件及GK型元件的结构   Kenics 元件的结构如图1 (a) 所示。它由许多个旋转方向不同的元件单元连接而成,其缺点是加工量大。   GK型元件的结构图,见图1 ( b) ,其结构与“麻花铁”相似,它是根据传热原理和Kenics 元件结构提出的,通过试验及厂家应用表明,其传热效果好,流体阻力小,且制造安装方便。   2  静态混合元件的阻力降和传热膜系数   Kenics 元件和GK型元件在加热试验情况下测定的传热数据和流体阻力分别见图2 、图3 。图2 为这两种元件的传热膜系数(分别用αK ,αGK表示) 同空管的传热膜系数(αo ) 之比值与雷诺数(Re) 之间的关系; 图3 为这两种元件的阻力降(分别用ΔPK、ΔPGK表示) 同空管的阻力降(ΔPo )之比值与雷诺数(Re) 之间的关系。 (1) Kenics 元件和GK 型元件均具有强化传热的能力,但阻力降都比空管大。这是因为加入静态混合元件后,增强管内流体的湍动程度,减少传热边界层厚度,强化了传热,必然使流体流动阻力增加。 (2) GK 型元件的传热膜系数比Kenics 元件的传热膜系数低,但阻力降却低得多。这是因为从结构上看, GK 型元件的曲线轮廓变化连续且缓慢;而Kenics 元件的相邻元件轮廓变化是突然的。这就使流体在GK型元件中的湍动程度低于在Kenics 元件中的湍动程度,导致GK 型元件的传热能力低于Kenics 元件。   从数值上看,αGK约等于(0. 861~0. 990)αK和2αo ,而ΔPGK约等于(0. 475~0. 486)ΔPK ,说明GK型元件在传热膜系数降低不太多的情况下,却大大降低了流体阻力。这是因为GK型元件并没有完全改变Kenics 元件的结构,只是相当于改变了相邻两个Kenics 元件的连接方式。从传热机理上看,在传热边界层达到一定厚度时,如果再增加流体的湍动程度,必然会导致流体阻力增加,而不会更多地提高传热膜系数。 3  静态混合元件在换热器设计中的应用   从传热基本方程式Q = KAΔtm 可知,在满足工艺要求的前提下(即满足Q、Δtm 要求) ,要想减小换热面积A 最有效的方法是提高传热系数K值。K值主要取决于两流体的传热膜系数,并与管壁热阻以及污垢层的热阻有关。由于: K=1/(1/α1+1/α2+Σδ/λ)   显然,减小分母中的任何一项,都可增大K值。当垢层热阻不是K值的主要影响因素时,如管内α1n 管外α2 (如管外为液体介质,管内为气体介质时) ,K值主要取决于α1 。因此,只有设法增大α1 ,才能有效提高K值。这也正是静态混合元件的优势所在。因为,静态混合元件的传热膜系数为空管的2 倍左右,所以,它也能使K 值增加近2 倍。相应地,在工艺条件不变的情况下,可使换热面积减少一半左右。例如,滑县化肥厂变换工段主换热器,换热面积按空管计算为400m2 ,而实际使用GK 型元件只需200m2 ,生产中应用良好,并降低设备成本。   我们在做改扩建工程设计时,经常要遇到利用现有设备的问题。从节约投资和设备布置考虑,增大换热器或在既定换热器上再增加换热面积都是不现实的。平均温度差一般已为工艺条件所确定,变动的范围也是有限的。因此,为提高K值,在设计时采用静态混合元件,将不失为一种行之有效的技术手段。由于加入静态混合元件,可增强管内流体的湍动程度,提高传热膜系数,增大K值,从而有效地提高现有设备的生产能力。例如,漯河制药厂利用蒸发器浓缩药物,采用GK型元件使蒸发时间缩短一半,并且此热敏性药的药性能得到保障。   另外,静态混合元件也特别适用于高粘度物料的场合。由于高粘度物料在空管内的湍动程度低,使传热边界层厚度增大,传热效果降低。如加入静态混合元件,物料在螺旋片作用下呈螺旋状流动,产生径向分速度,冲刷传热面,影响边界层的形成,从而强化了传热。例如,南阳酒精总厂在黄原胶蒸发器中GK 型元件的应用效果就是如此。 4  结语   总之,GK型元件和Kenics 元件同样具有强化传热的作用,都具有广泛的用途。但从加工制造的生产效率考虑, Kenics 元件在制造时需要将许多左旋、右旋的元件相间排列,首尾相接连在一起,增加了加工量; 而GK 型元件的制作比较容易,效率较高,且能有效地降低制造成本,缩短制造周期,特别适用于大、中型换热器。   当然,在具体应用静态混合元件时,要综合考虑阻力增加、设备结构、清洗检修等问题,使设计更加完善。  
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