不同折流板换热器的传热与流阻性能对比

点击：1845 日期：[ 2014-04-26 22:48:44 ]

孙成家,杨　军,陈保东(辽宁石油化工大学机械学院,辽宁　抚顺　113001) 1　引言换热设备在化工过程中起着至关重要的作用,其投资费用一般占全部投资费用的40%左右。传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低,传热系数不高,难以满足生产要求,因而,高效换热器的研究越来越得到重视。螺旋折流板换热器就是最近出现的一种高效传热的换热器。螺旋折流板换热器突破了壳程介质流横向垂直和管子相切的传统观念,流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动(即ｐｌｕｇ流),不会出现传统折流板换热器内的流动“死区”,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用,使湍流度大幅度增强,有利于提高壳侧传热膜系数〔1〕。ＰＳｔｅｈｌｉｋ等〔2〕对螺旋折流板换热器进行研究得出,相同条件下与传统弓形折流板换热器相比换热器的传热系数提高1.8倍,流动阻力降低25%陈世醒等〔3〕研究发现,对于水这样的低黏度流体,相同流量单位压降的壳程对流传热系数,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的2.4倍;对于高黏度油品,相同流量下单位压降的壳程对流传热系数,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的1.5倍,研究表明螺旋折流板换热器不仅适用于低黏度流体,也可用于高黏度流体。总之,螺旋折流板换热器具有传热效果好、流动压降小、不易结垢、流动诱导振动小等优点〔4〕。本实验所采用的螺旋折流板换热器是由若干块四分之一壳体横截面的扇形折流板呈螺旋状自进口向出口处推进,这样介质在整个壳体中连续,平稳,旋转着流动,避免了大角度折返带来的严重压力损失,减少了能耗。同时由于折流板螺旋分布使壳体介质产生旋涡,从圆心到半径方向存在较大速度梯度,这个梯度场有效的在管子表面产生湍流,使边界层减薄,提高膜传热系数。本文以螺旋角为12°为例,研究螺旋折流板换热器与弓型折流板换热器的传热与流阻性能,为螺旋折流板换热器的工业应用及与其他新型强化传热管的结合使用提供参考。 2　实验装置与流程为了研究螺旋折流板换热器的传热与流阻性能,本文采用的实验整体装置与流程如图1所示,实验系统由两部分组成,第1部分为热柴油(热水)回路,热柴油(热水)经过储油(水)罐(2,3)离心泵(8)转子流量计(6)后进入换热器(1),冷却后回到储油(水)罐;第2部分为冷却水供应系统,由储水罐(4)水泵组成,通过阀门(5)调节冷却水的流量。在柴油以及冷却水的进出口分别设置测温点,安装铜—康铜热电偶,用微伏级电子毫伏计测量进出口温度;柴油和冷却水的流量分别用转子流量计测量;根据压力表(7)的读数可以分别得到工质在换热器的壳程内流动的总压降。换热器为单壳程、双管程,螺旋折流板为单头螺旋。其结构示意图如图2。 3　数据处理方法改变柴油(热水)工质的流量,记录不同流量下柴油(热水)和冷却水的进出口温度及流量以及换热器壳侧进出口压力表的读数。 3.1　计算壳侧传热膜系数修正威尔逊法要求的已知条件或限定条件少,比较适合管壳式换热器的传热试验数据处理〔5〕。本文在得到换热器的总传热系数后采用修正威尔逊分离法来计算换热器的管内外传热膜系数。若热平衡时吸热量和放热量相差在±10%内,认为实验数据可靠,予以采用。 3.2　计算壳侧流体流动的阻力对螺旋折流板换热器壳侧流体进行流路分析,可以得到先取η=1作为初值,流速为全流。由式(1)、式(2)有Δｐ0=(Ｌ/Ｂ)Ｄρｕ2ｍ/2(6) 据此全流速时的Ｄ值。将Ｄ值代入式(5)得一新的η′值,将η′与η比较,若相对误差小于给定精度,则认为此η值为所求,否则式中　Ａ———管程流通总面积,ｍ2; 上角标—迭代后的新值,下角标—管外。将ｕ′ｍ及对应的Δｐ0值再次代入式(6),反复迭代,直至得到满足精度要求的η值,最后阻力系数可由式(3)求出。4　实验结果与分析在4ｍ3/ｈ≤Ｗ0≤19ｍ3/ｈ试验条件下两种换热器的壳侧传热膜系数随流量(Ｗ0)的变化曲线以及壳侧流体流动的阻力系数随流量(Ｗ0)变化的曲线,分别如图3,图4,图5,和图6所示。从图4和图5可以看出,随着流量的增大,由于湍流度增强,换热器的壳程传热膜系数有所提高;而在相同流量下,螺旋折流板壳程传热膜系数比弓型折流板的高33%～136%,且随Ｗ0的增大,传热膜系数比换热器提高的幅度也增大。这是由于螺旋折流板壳程的特殊结构,柴油(水)在壳侧螺旋通道内流动时,柴油(水)与管壁的剪切运动可以造成边界层不断分离,减薄边界层,从而减少传热热阻,达到强化传热的效果;流量越大,强化传热效果越好,因此螺旋折流板换热器在较大流量下更能发挥其强化传热的优势。从图3和图6可以看出,随着流量的增大,柴油(水)在螺旋折流板换热器和弓型折流板换热器的阻力系数有所减少,在相同的流量下,由于流体在螺旋折流板换热器螺旋通道内形成射流(即Ｐｌｕｇ流),柴油(水)在螺旋折流板换热器的阻力系数要比弓型折流板换热器低15%～35%。5　结论以柴油(水)为工质,流量在4ｍ3/ｈ≤Ｗ0≤19ｍ3/ｈ范围内,螺旋折流板换热器的壳侧传热膜系数要比弓型折流板换热器提高33%～136%,随着流量的增加,提高的幅度更大,具有较好的强化传热效果;壳侧流体流动的阻力系数在试验条件范围内比弓型折流板换热器降低15%～35%。螺旋折流板换热器具有优良的传热与流阻性能,应用于石油、化工等领域有广阔的前景。参考文献〔1〕赵晓曦,邓先和,陆恩锡.螺旋折流板菱形翅片管换热器的传热与流阻性能〔Ｊ〕.化工学报,2003,54(3):388-391 〔2〕ＳｔｅｈｌｉｋＰ,ＮｅｍｃａｎｓｋｙＪ,ＫｒａｌＤ,ＳｗａｎｓｏｎＬ.Ｗ. ＣｏｍｐａｒｅｓｉｏｎｏｆＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＦａｃｔｏｒｓｏｆＳｈｅｌｌ -ａｎｄ-ＴｕｂｅＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈＳｅｇｍｅｎｔａｌｏｒＨｅｌｉｃａｌＢａｆｆｌｅｓ〔Ｊ〕.ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,1994,15(1):55-65 〔3〕陈世醒,张克铮,张强.螺旋折流板换热器的实验研究(Ⅰ,Ⅱ)〔Ｊ〕.抚顺石油学院学报,1998,18(3):31-38 〔4〕王素华,王树立,赵志勇.螺旋折流板流动特性的研究〔Ｊ〕.石油化工高等学校学报,2001,14(1):64-67 〔5〕欧阳新萍,黄海英,陶乐仁.威尔逊法在管壳式换热器测试中的应用〔Ｊ〕.工业锅炉,1999,1:24-26

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