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波纹管换热器强化传热机制及其应用与研究点击：1955 日期：[ 2014-04-27 11:50:57 ] |
| 郭建民1,周剑秋2 (1.葫芦岛华天实业有限公司,辽宁葫芦岛125001; 2.南京工业大学,江苏南京210009) [关键词]波纹管换热器;应用现状;研究现状;传热机制 [摘 要]介绍了波纹管换热器强化传热机制及其应用与研究现状,建议在氯碱行业推广。 [中图分类号]TQ114. 15 [文献标志码]B [文章编号]1008-133X(2009)06-0040-04 波纹管换热器是在传统管壳式换热器的基础上,采用强化传热原理研制开发出的一种高效传热设备。它不但继承了管壳式换热器的优点,还具有体积小、传热系数高、防垢的特点,具有很强的实用性,被广泛地应用于气-水、水-水换热场合。早在20世纪70年代,就曾经有人提出将波纹管作为换热管用于管壳式换热器上。从流体力学观点分析:当流体在波纹管内流动时,波峰处流体速度降低、静压增加,波谷处流体速度增加、静压减少,这样,流体的流动在反复改变轴向压力梯度下进行,产生的剧烈漩涡冲刷了流体的边界层,使边界层减薄。由于波纹管可做成相对流线型,流体阻力不会有太大的增加。因此,从理论上讲,波纹管的传热效果优于其他异型管。 1·应用 我国于20世纪80年代开始研究和开发波纹管换热器。20多年来,我国已经开发出了多种多样的波纹管换热器,并且在实际应用中取得了良好的经济效益。 1990年,国内首台波纹管换热器问世。沈阳仪器仪表所与沈阳远大管道研究所合作试制了3台波纹管换热器, 1台安装在沈阳热力公司所属浑河供热所第1小区供热站,另2台安装在和平房屋开发公司所属和平大街锅炉房试运行。1990年12月15—31日,由沈阳市技术监督局所属沈阳市能源标准计量所对该产品进行现场测试,结果表明,其应用效果完全达到了设计要求,并于1991年3月16日通过了由原机电部三装司组织的专家鉴定。目前,根据市场的需要已开发出新品种用于不同行业中:煤气站汽化(汽-油换热),电厂首站(汽-水换热),油田输油管道加热(汽-油换热),储藏设备制冷(液-液换热),宾馆、居民楼供生活热水(汽-水加热),海水热交换(汽-海水换热及海水-水换热)等。 2·波纹管换热器的强化传热机制 波纹管换热器采用了特殊截面波形管换热元件,用波纹型强化传热管取代管壳式换热器中的直管,将波纹管的优点与管壳结构的优点相结合,使换热器具有更好的传热效果和使用性能,其强化传热机制见图1。流体在波纹管内的流动与传热分为2部分:在直管内,流体呈等直径流束形式,由于直管段长度较短,流体在管壁附近的层流边界层尚未充分展开,流型就开始改变,因此直管段内的传热换热系数较高;在弧型管段内,流体呈变直径流束形式,流动时在弧形管段的进口处产生喷射效应。这2种效应综合作用的结果,使管内产生无数细小漩涡和横向流,对流体的边界层和污垢层的形成产生强大的破坏作用,明显提高了弧段管内的传热系数。同样,管外流体的传热系数也得到提高。 传热学的基本公式为: Q=KSΔtm, 式中:Q为换热量,W;K为总传热系数,W·m-2·℃-1;S为换热器总的传热面积,m2;Δtm为进行换热的两流体之间的平均温度差,℃。 从上式可知,增强传热的途径有3条:①提高换热器的传热系数;②增大换热器的换热面积;③加大2流体之间的对数平均温度差。实践表明,提高换热器的传热系数是最可行有效的途径。经试验研究,波纹管的形状尺寸、波纹段与直管段的长度比直接影响波纹管换热器的传热效果,各尺寸的优化关系为: 式中:L1为弧形段长度,mm;L2为直线段长度,mm;D1为波纹管管坯直径,mm;D2为波纹管波峰外径,mm。 3·波纹管换热器的优点及适用范围 3.1 波纹管换热器的优点 波纹管是取代列管的一种高效换热管,与传统管壳式换热器相比,具有以下优点。 3. 1. 1 传热系数高 波纹管换热器的换热管通常由薄壁无缝不锈钢管经过特殊加工而成。当流体在波纹管内外流动时,流体在管内外形成比较强烈的扰动,在波型壁面附近形成轴向小涡流,减薄了热边界层厚度,扰动边界层内的流体,使边界层分离,同时提高管内、管外的对流换热系数;而当涡流即将消失时,流体又流经下一个波纹,因此产生连续的轴向涡流,保证了稳定的强化传热效果。由于传热效率高,可以回收低温热源;同时因传热元件口径大,波形呈流线状,压力损失小,能有效地节约能耗。 3. 1. 2 不污、不堵、不结垢 波纹管换热器中,由于管束界面变化,使管内外的流体产生强烈的扰动,而形成良好的冲刷,管壁上不易形成垢层。同时,由于波纹管内、管外表面曲率变化大,具有伸缩性,在温差和介质的紊流作用下即使结垢后也很容易脱落,有很强的防垢能力,同时避免了腐蚀和堵塞情况。 3. 1. 3 防泄漏能力强 由于密封周长短(这是管壳式换热器固有的优点),而且换热管为波纹管,本身具有自身补偿功能,管板热应力很小,因而不会因管口破裂而泄漏。这一点,较板式换热器有明显的优越性。 3. 1. 4 维修方便 由于该产品不污、不堵、不腐蚀、不结垢,因此不必年年维修;维修时工作量也很小。 3.2 波纹管换热器的适用范围 虽然波纹管换热器是由传统的管壳式换热器改进而来,但并不是所有类型的管壳式换热器都可以采用波纹换热管。由于固定管板式换热器结构紧凑,强化传热效果明显,最适合采用波纹换热管的是固定管板式换热器。波纹管又具有一定的热补偿能力,在某些场合可省去常规所需要的膨胀节。另外,在波纹管换热器的使用过程中对介质的特性具有一定的要求,例如,对于黏度较高的物料易结晶、沉淀的工况,禁止使用波纹管换热器。 4·波纹管的成型及结构 4.1 波纹管成型机制的研究 波纹管一般是由无缝不锈钢光管加工成型而得。波纹管直径较小、管子长、波纹外凸,因此其成型加工比较困难。此外,波纹管加工形变大,对材料的力学性能和材料的均匀性要求很高。在加工波纹管前不但要对原材料管进行逐根检查,还要对成型后的管子进行消除应力热处理,经热处理后,须再进行外形、轴向直线度、水压试验进行再检验,检查合格后方可用于换热器的制造。 目前,应用于工业换热器的波纹管主要有软胶胀型和液压胀型成型工艺。液压胀型是采用常规的液压技术,即将光管置于成型模具中,然后向光管内注入高压液体,利用液体的压力使光管屈服并最终获得模具规定的几何形状。软胶胀型工艺则是利用对管内短圆柱状的软胶进行轴向压缩使其产生径向压力以达到成型波纹的目的。 4.2 波纹换热管的波形确定 波纹换热管与用作补偿目的的波纹管因功能不同,在形状及尺寸方面有着较大的区别。普通的补偿波纹管波高较大,Dmax/DN>1. 35(Dmax为波峰直径,DN为公称直径),而波纹换热管作为主要受压元件首先要保证承压能力,波纹的目的是造成二维流动,形成湍流,增强传热效果。此外,过深过密的波纹不但会造成大的压降,而且容易失稳。因此,波纹换热管应波纹较浅、波距较大,波形的最后确定需考虑热力学、材料、成型工艺等因素。 4.3 波纹换热管的结构及连接形式 波纹管换热器中的换热管一般有波纹管和波节管2种,沿径向方向的半径尺寸是变化的。波节管的波形由直边段、大小圆弧段等组成(参见图2);波纹管由大小圆弧段构成(参见图3),没有直边段,但同样存在波峰和波谷。 影响波纹管力学性能的参数较多,波纹管的壁厚、直径、波高、波距、波数以及材料的弹性模量与波纹管的刚度有直接关系。 由于波纹换热管为奥氏体不锈钢,属加工硬化倾向大的材料,胀接难度较大;且波纹换热管的管壁较薄,将换热管直接焊接在管板上十分困难。为保证焊接质量,必须增加过渡接头,过渡接头通常用δ=3 mm的厚壁管制造,且过渡接头的外径与波峰一致。其结构如图4所示,由中间薄壁波纹管主体和两端厚壁接头组成。 5·波纹换热管的材料选用及设计研究进展 5.1 波纹管材料的选用 金属波纹管一般用薄壁奥氏体不锈钢制造,壁厚为0. 2~4. 0 mm。因为在轴向力和位移的作用下,应力水平相当高,波峰和部分波谷的局部基本在塑性范围工作。如果处于腐蚀环境,则高应力部位是最危险的。 一般情况下,波纹管的材料应满足下列条件:①具有良好的塑性,便于波纹管的加工成型,且能通过随后的处理工艺(冷作硬化、热处理等),获得足够的硬度和强度;②具有高的弹性极限、抗拉强度和疲劳强度,以保证波纹管正常工作;③具有良好的焊接性能,满足波纹管在制作过程中的焊接工艺要求;④有较好的耐腐蚀性能,以满足波纹管在不同环境下工作。 5.2 设计研究进展随着计算机技术的迅猛发展,有限元方法已成为能处理几乎所有连续介质和场问题的一种强有力的数值计算方法。其在波纹管研究领域中的应用也得到了迅速而深入的发展。 自20世纪80年代以来,国内许多研究人员开始将有限元方法应用于波纹管应力应变的分析研究中,取得了成功。主要经历了以下3个阶段:第1阶段出现在20世纪80年代初,其特点是利用弹性有限元对波纹管进行应力应变的分析。弹性有限元分析在小载荷情况下,可以获得比较好的计算结果。 但是,随着位移量的增大,其误差也越来越大。第2阶段始于20世纪80年代末,在90年代中后期有了较快的发展,主要特征是非线性有限元技术在波纹管的研究分析中的应用。有限元分析以其在解析几何非线性、材料非线性和结构非线性问题分析方向的独特优势而为愈来愈多的研究人员所接受。第3阶段是20世纪90年代末至今,国外许多优秀的大型有限元软件,如: ANSYS、ABAQUS、ADINA、ALGOR出现并逐渐在国内推广,波纹管的有限元分析也随之进入了蓬勃发展的阶段。 对于波纹管换热器中管板的设计计算,目前还没有建立起严密而精确的计算方法,国家及行业部门也没有制定出相应的标准提出相应的计算方法。在波纹管换热器中对管板进行设计计算时,设计人员一般是把波纹管简化为相应规格的光管,然后根据GB 151—1999《管壳式换热器》给出的方法计算,给波纹管换热器的管板计算带来相当的不确定性。因为在结构上,波纹管不同于光管,波纹管的柔度比光管的大,而刚度比光管的小,其对管板的支撑与光管有所不同。波纹管的轴向刚度比光管的轴向刚度小得多,因而,管板的计算结果存在着某种不确定性。这在一定程度上影响了波纹管换热器的应用与发展。 一般可通过试验研究得出波纹管的刚度。一些科研工作者开始尝试用有限元方法求得工程上不同尺寸参数的单波波纹管的刚度。 6·结语 波纹管换热器优异的传热特点,使其具备广泛使用于石油化工、氯碱化工行业的潜力,如聚氯乙烯装置中换热效率要求高的气-水交换场合———高低塔再沸器、回流冷凝器,水-水交换场合———氯化氢卧式水冷却器等,都具有较好的应用性;有些企业甚至开始考虑在氯乙烯转化器上应用的可行性。随着波纹管换热器设计理论、制造水平的不断发展,固定管板式换热器将在很多场合为波纹管换热器所取代。 参考文献[1]秦叔经,叶文邦.换热器[M].北京:化学工业出版社,2003.[2]丰艳春,邱广涛.波纹管式换热器(二)———在国民经济中的应用.管道技术与设备[J]. 1998(1): 42-43.[3]黄述文,洪广昌,郭建中,等.波纹管技术在换热器上的应用.中氮肥[J]. 2001(1): 62-63.[4]邱广涛,丰艳春.波纹管式换热器(一)———起源、现状与发展.管道技术与设备[J]. 1998(1): 43-45.[5]郎 逵.薄壁波纹强化传热管的理论与实验研究.管道技术与装备[J]. 1993(4): 16-17.[编辑:董红果] |
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