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螺旋角度不同的螺旋折流板换热器壳程传热性能研究点击：2101 日期：[ 2014-04-26 22:54:57 ] |
| 螺旋角度不同的螺旋折流板换热器壳程传热性能研究 宋雷 高磊 （辽宁石油化工大学，抚顺113001） 【摘要】对螺旋角度分别为25°、30°和40°的螺旋折流板换热器壳程传热性能进行了试验与研究，同时对螺旋角度为25°、30°和40°的螺旋折流板换热器与传统的弓形折流板换热器壳程传热性能进行了比较。实验结果表明，螺旋角为40°的螺旋折流板换热器的传热效率最高，螺旋折流板换热器的壳程传热 效率都比传统的弓形折流板换热器壳程传热效率高。 关键词：螺旋折流板；弓形折流板；螺旋角；传热效率 中图分类号：TH16，TE965文献标识码：A 目前，我国炼油厂采用的冷换设备中，其壳程介质的流动大多 数还是传统的弓形折流板Z字形流动方式1[～3，]这使得冷换设备的总 传热系数一直较低。上世纪90年代初，一种新型冷换设备-螺旋折 流板换热器开始应用于工业领域，其壳程介质的流动呈螺旋线，折流板为伞型，每块折流板与壳体轴线呈一定的夹角，相邻的折流板 在周边首尾相接，每四片构成一个外圆周连续的螺旋线，这种结构改变了壳程流体的流动状态和换热面积，提高了传热效率。 1.螺旋与弓形折流板换热器的性能比较 螺旋折流板换热器中螺旋折流板结构设计独特，与弓形折流 板的结构相比具有以下特点（：1）螺旋折流板换热器以其介质螺旋 状的流动状态代替了传统的弓形垂直折流板Z字形反流动状态， 使壳程压力降明显降低，在相同流量条件下可使压降减少45%左 右。（2）螺旋折流板换热器尤其适用于粘稠的介质及结垢严重的 介质。（3）螺旋折流板换热器具有良好的抗振性，特别适用于流动 介质流量波动较大或气液两相的情况。（4）壳程侧无滞流区与死区， 因此可减少污垢沉积，换热器在使用后期仍然有良好的操作性 能，延长了检修周期。（5）壳程介质流动状态为螺旋流，流体湍流程 度加剧。使换热管层流厚度减薄，有利于热交换，提高传热效率。 据国外资料报道，螺旋折流板换热器单位压降下的壳程膜传热 系数是弓形折流板换热器壳程膜传热系数的（1.8～2）倍，许多工 况下的传热系数值可提高（20～30）%，因此可减少换热器的尺寸 和质量，为冷换设备的大型化提供了广阔的前景。螺旋折流板换热器结构，如图1所示。弓形折流板换热器结构，如图2所示。 2.实验装置与工艺流程 2.1实验目的 实验在对25°、30°、40°这3种螺旋角度的螺旋折流板换热器壳程传热性能进行测定与研究的同时，将其与同规格的弓形折流板换热器壳程传热性能进行比较。目的是通过实验研究螺旋折流板换热器的传热效率最佳时的螺旋角度，以及25°、30°、40°这几个不同螺旋角度的螺旋折流板换热器的壳程传热效率是否都比弓形折流板换热器的壳程传热效率高。 2.2 实验主要设备及仪器 实验采用壳体内径为Φ250mm，长度为3000mm，三台换热 器管束都是两管程。管子规格为25*0.5*2500，3台换热器的换热 管都是40根，管子排列方式为正方形旋转45°。实验在冷换设备 综合测试实验台上进行，主要测试仪表、设备为：（1）数字温度计， 其分度为0.01℃，量程分别为（0～50）℃和（0～100）℃。（2）压力表和 压差计。（3）LZB-50转子流量计和LZJ-100转子流量计，其量程 均为（1～50）m3/h，使用时两者并接。 2.3 实验流程 实验主要包括2个回路、3个组成部分。两个回路为冷回路和热回路，即换热设备的壳程和管程。管程走介质热水，壳程走介 质冷水，测试水水之间的换热效率。3个组成部分包括冷水的小储罐和冷水的大储罐（这样便于水量的流动平衡稳定）、热水的储罐和加热部分以及循环动力系统。实验流程图，如图3所示。 2.4 传热性能测试结果 实验中管程介质为热水，初定体积流量8m3/h；壳程介质为冷水， 体积初流量为2m3/h，按1m3/h依次变化。测试结果，如表1～4所示。 2.5数据处理 根据本次实验数据及介质的运行环境，建立壳程传热系数公 式的基本形式； 1/K=A0/Ai*（1/hi+r）i+（1/h0+r0）+rp（1） 式中：K—总传热系数，W（/M2*K）；A0—管外壁表面积；Ai—管内 壁表面积，m2；hi—管内膜传热系数；h0—壳程传热系数；W/ （M2*K）；ri—管内壁污垢热阻；r0—管外壁污垢热阻；rp—管内壁热阻，K*m2/W。 在计算过程中，当（Φi-Φ）0/Φi<10%时（Φi管程热流量，Φ0壳 程热流量，W），认为实验数据可靠，予以采用。由于本实验装置是 新设备，所以换热器的壳程总传热系数化简为[2]： 1/K=A0/Ai/hi+1/h0+rp（2） 根据文献[1]可得放热量Φ和壳程总传热系数的关系如下： K=Φ（/A0*△tm）（3） 式中：△tm—平均温度差，℃。 根据实验数据绘制壳程总传热系数与壳程冷水流量的关系曲线，如图4所示。 由图3并对比螺旋角为40°的螺旋折流板换热器和螺旋角为30°的螺旋折流板换热器的第7组试验数据可得，螺旋角为 40°的螺旋折流板换热器比螺旋角为30°的螺旋折流板换热器壳 程传热效率提高了18%。在量相同时，螺旋折流板换热器壳程传 热效率比同规格的弓形折流板换热器壳程传热效率高。 3.结论 （1）在相同冷水流量的条件下，螺旋折流板换热器比同规格 的弓形折流板换热器的壳程传热效率高，并且随着冷水流量的增 加，螺旋折流板换热器壳程传热效率明显提高。 （2）随着螺旋折流板螺旋角度的增大，螺旋折流板换热器壳程 传热系数也增大。螺旋角大的螺旋折流板换热器壳程传热效率高。 参考文献 1.刘巍.冷换设备工艺计算手册［M］.北京：中国石化出版社，2003 2.王秋旺.螺旋折流板壳式换热器壳程传热强化研究进展［J］.西安交通大学 学报，2004，38（9）：881～885 3.宋小平.提高管壳式换热器效率的研究［J］.中国石油化工，2005：146～148 4.王素华.螺旋折流板换热器流动性研究［J］.石油化工高等学校学报，2001， 1（43）：64～67 |
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