管壳式换热器设计
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搭接螺旋折流板换热器壳程流动特性研究点击：1805 日期：[ 2014-04-26 22:54:54 ] |
| 搭接螺旋折流板换热器壳程流动特性研究 孙琪 陈佳佳 朱莹 王海秀 王树立 (江苏工业学院) 摘要：用激光测速仪测量了搭接螺旋折流板换热器的流场特性,着重研究了螺旋折流板倾角为35°,相对搭接量为10%、15%、20%、25%、30%、35%时的速度分布、脉动速度及摩擦阻力规律,并就速度分布对换热性能及阻力的影响以及搭接量对有效换热面积的影响做了分析和讨论。在搭接区,轴向速度明显增大,出现峰值,切向速度分量明显减小。随着搭接量的增大,流动摩阻损失逐渐减小;搭接可增大换热流程,有利于强化传热。 关键词：螺旋折流板换热器 搭接 流动特性 激光测速仪 中图分类号：TQ051·5 文献标识码：A 文章编号：0254-6094(2008)01-0010-04 传统的管壳式换热器多采用弓形折流板,它的优点是结构简单、制造方便,其缺点是流动死区大、换热系数小、流动压降大。为了解决上述问题,有关学者提出了将管壳式换热器折流板设计成与壳体横断面有一个倾斜角度(即旋流板角度),使流体在壳程旋转流动,称为螺旋折流板换热器[1]。螺旋折流板换热器中旋流板的搭接方式是指前后两块旋流板在布置上的相对位置,通常分首尾连接和按一定比例重叠搭接,不同搭接方式会呈现出不同的流道结构,从而影响换热特性。螺旋折流板换热器中螺旋流道的螺距与旋流角有关,旋流角小,流动阻力大,但螺距小,流程长;旋流角大,流动阻力小,但螺距大,流程短[2~5]。若要兼顾两者的优点,可选取折流板搭接布置的结构,本文仅对该搭接结构的换热器流场中壳程流动特性做了实验研究,并得出了相应的结论。 1 实验设备及实验方法 实验用换热器由有机玻璃制作,壳体尺寸为200mm×6mm×3000mm,换热管外径为15mm,共52根,叉排布置。为消除圆形壳体折射影响在外边安装了用玻璃制做的方水盒。实验介质为常温下自来水,循环水泵将水箱中的水打出经转子流量计计量流量(流量范围为10~35m3/h),然后进入换热器,用倒U形管差压计测量换热器压降。氩离子激光器(功率为1W)和接收单元都放在三维坐标架上,坐标架精度为0.1mm。测量系统(图1)可沿水平和垂直方向移动。 折流板布置如图2所示,设相对搭接量e=l/L×100%((l为搭接量,L为折流板边长),e分别取10%、15%、20%、25%、30%、35%,旋流角α取35°,测量位置选在流道相邻折流板中间,沿径向选取10个测点(δ=r/R,r为径向位置,R为壳体内径)。 2 结果分析 2.1 搭接量对速度分布的影响 在流量为22.8m3/h时,不同搭接量对速度分布的影响如图3所示。 由图3可以看出,相同的搭接量,流量改变时对流动结构影响不大,只是流速数值大小上有相应变化,脉动速度在折流板搭接点处有明显增强,它是反映湍流程度的参数。 实验结果还将搭接螺旋折流板换热器内径向流动结构分为3个区域:a.低速区,在换热器轴心附近约1/4内的区域,该区域内切向速度与轴向速度都比较小,属缓慢螺旋流;b.轴流区,靠近壳壁处的搭接区域内,该区域内有折流板搭接形成的菱形缺口,流体在此沿壳壁流过,使轴向速度明显增大,出现峰值,切向速度明显下降;c.旋流核心区,介于低速区与搭接区之间,该区域内切向速度大于轴向速度,并有明显的旋流特征,是换热效果最好的区域。 2.2 搭接对压降的影响 压降是换热器的重要性能指标之一,低压降和大换热系数是换热器设计的目标。通常用欧拉准则来描述换热器压降: 图4给出了几个不同流量下欧拉数和搭接量关系曲线。由图4可以看出,搭接量对压降的影响很明显,随着搭接量的增大,压降呈下降趋势。这是由于在搭接区内流体沿换热管的轴向流动产生的阻力较小的缘故。 2.3 搭接对流程长度的影响 从图5的几何关系可看出,倾角为α的折流板无搭接时的螺距为x,有搭接时的螺距为x′,缩短了Δx。由此可见,折流板的搭接布置,可使螺旋流道的螺距减小。而螺距减小,流程就会相对变长,流体在壳程停留时间也会延长,相当于增大了有效换热面积。 由图6可以得出,搭接量与换热器有效流程长度的提高呈上升曲线关系。可见,在旋流角α不变的情况下采用搭接结构,能大幅增加流体与换热管的接触面积,从而提高换热效果。 3 结论 3.1 螺旋折流板前后搭接布置,在旋流角α不变的情况下可增加流程,相当于增大了换热面积,提高换热效果,起到强化传热的目的。 3.2 螺旋折流板换热器壳程流体流动呈现了3个区域:分别为低速区、轴流区和旋流核心区。由于热量传递受动量传递支配,流动形态的差异会导致换热强度在3个区域也不同,因而可以考虑在搭接区域加挡板来减弱轴向流动,增强切向流动,从而进一步提高换热效果。 3.3 随着搭接量的加大,流动阻力损失明显下降,这就对高粘度介质的换热更适合采用搭接结构的换热器。 参考文献 1 LutuhaJ,NemcanskyJ.PerformanceImprovementofTu-bularHeatExchangersbyHelicalBaffles.TransIChemE,1990,68(3):263~270 2 StehlikP.ComparisonofCorrectionFactorsforShell-and-TubeHeatExchangersWithSegmentalorHelicalBaffles.HeatTransferEngineering,1994,15(1):55~65 3 王良,罗来勤,王秋旺等.螺旋折流板换热器阻流板对换热及流动压降的影响.工程热物理学报,2001,22(6):173~176 4 WangShul.iHydrodynamicStudiesonHeatExchangersWithHelicalBaffles.HeatTransferEngineering,2002,23(3):43~49 5 王素华,王树立,赵志勇.螺旋折流板换热器流动特性研究.石油化工高等学校学报,2001,14(1):64~67 |
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