螺旋折流板換熱器的總換熱系數(shù)和壓降的研究

發(fā)布時(shí)間：2010-1-5 瀏覽：3105

        一、前言

        換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要設(shè)備。在化工、石油化學(xué)、食品等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。在石油化工行業(yè)中主要采用管殼式換熱器，弓形折流板換熱器最為常用（見圖1）。隨著工業(yè)的發(fā)展，節(jié)能越來越重要，對(duì)換熱器的要求也越來越嚴(yán)格，不僅希望換熱效率達(dá)到要求，同時(shí)消耗較小的動(dòng)力。螺旋折流板換熱器是應(yīng)這些要求在當(dāng)前工程實(shí)踐中出現(xiàn)的較為先進(jìn)的一種換熱器（見 圖2）。

                    

        螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器的根本區(qū)別在于折流板在殼體中結(jié)構(gòu)形式的變化。弓形折流板在殼體內(nèi)垂直于換熱管束，使殼側(cè)形成若干個(gè)并列折返通道，介質(zhì)急劇改變流向必然產(chǎn)生嚴(yán)重的壓力損耗，同時(shí)在兩個(gè)折流通道變向過渡區(qū)域，流體取最短路程斜向前進(jìn)，就形成一個(gè)介質(zhì)相對(duì)靜止的三角形區(qū)域，導(dǎo)致?lián)Q熱效率低。螺旋折流板換熱器是將折流板布置成近似的螺旋面，使換熱器中的殼側(cè)流體實(shí)現(xiàn)連續(xù)的螺旋狀流動(dòng)，有效地降低了殼程的流動(dòng)阻力和強(qiáng)化了傳熱。

        二、試驗(yàn)

        1.試驗(yàn)主要設(shè)備及儀器

        試驗(yàn)在換熱器性能綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)件為臥式管殼式換熱器，30°、40°螺旋折流板換熱器和相對(duì)應(yīng)的弓形折流板換熱器，芯組都是由44根兩管程長(zhǎng)2498mm,19mm×2.0mm換熱管排成。螺旋角為30°時(shí)，螺距為405mm，相對(duì)應(yīng)的弓型Ⅰ折流板換熱器的弓板間距為400mm。螺旋角為40°時(shí)，螺距為590mm，相對(duì)應(yīng)的弓型Ⅱ折流板換熱器的弓板間距為600mm。

        主要測(cè)試儀表見表1。

                  

        2.試驗(yàn)流程

        裝置主要包括兩個(gè)回路、四個(gè)部分。兩個(gè)回路為：換熱系統(tǒng)的管程部分和殼程部分。試驗(yàn)時(shí)測(cè)試水-油換熱試驗(yàn)。冷流體走管程，熱流體走殼程。四個(gè)部分包括：①冷水的儲(chǔ)罐。②熱水的儲(chǔ)罐及加熱系統(tǒng)。③熱油的儲(chǔ)罐及加熱部分。④ 循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)。試驗(yàn)流程圖見圖3。

                    

        整個(gè)測(cè)試包括殼程阻力性能和殼程傳熱性能 兩部分，測(cè)試中管程走水（密度為998kg/m3），殼程走油（密度為836kg/m3）。管程流量定值為：18m3/h。

        三、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

        管內(nèi)走冷水，殼程走熱油，測(cè)試結(jié)果見表2。

                  

        1.殼程壓降隨流量變化關(guān)系

        從圖4可以看出：隨著殼程流量即（Re）的增加，螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器殼程阻力都增大。在相同的殼程流量情況下，30°螺旋角的殼程阻力大于40°螺旋角的殼程阻力；弓形折流板換熱器的殼程阻力大于螺旋折流板換熱器的殼程阻力；隨著流量的增大，殼程阻力增大的速率越大，螺旋折流板換熱器和與相應(yīng)的弓形折流板換熱器的殼程阻力差距越來越大。

                    

        螺旋角為30°與40°時(shí)，切向速度大于軸向速度，螺旋角越小，切向速度則越大，脈動(dòng)速度也越大；螺旋角相同時(shí)，流量的增大使邊界層變成湍流邊界層，分離點(diǎn)提前，管束后面產(chǎn)生大量的漩渦，漩渦運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)流體徑向混合，使徑向速度分布趨于均勻，脈動(dòng)速度增大；脈動(dòng)速度越大，殼程阻力越大。

        在螺旋折流板換熱器中，折流板的螺旋布置形式對(duì)殼程流體起導(dǎo)流作用，殼程流體呈螺旋狀流動(dòng)，在折流板附近幾乎不存在流動(dòng)死區(qū)。這種流動(dòng)特點(diǎn)有利于減小殼程流體壓力損失。而在弓形折流板換熱器中，殼程流體主流速度方向與折流板法向夾角很小，這樣的沖擊在折流板正面形成很大的速度梯度，同時(shí)由于流通截面的突變而在圓缺處形成高速流動(dòng)區(qū)和折流板背面的回流區(qū)�；亓鲄^(qū)的存在增加殼程壓降。所以殼程流量相同時(shí)，弓形折流板換熱器的殼程阻力大于螺旋折流板換熱器的殼程阻力。

        2.殼程總傳熱系數(shù)隨流量變化關(guān)系

        從圖5可以看出，不論是弓形折流板換熱器還是螺旋折流板換熱器，隨著殼程流量的增加，殼程傳熱系數(shù)都增大。殼程流量相同時(shí)，螺旋折流板換熱器的殼程傳熱系數(shù)隨著螺旋角的增大而減��；螺旋折流板換熱器的殼程傳熱系數(shù)大于相應(yīng)的弓形折流板換熱器的殼程傳熱系數(shù)。

        在相同的殼程流量下，殼程傳熱系數(shù)隨著螺旋角的增大而減小。主要原因是：①對(duì)于螺旋折流板換熱器，殼體內(nèi)徑、螺旋角及折流板間距三者是相互關(guān)聯(lián)的。當(dāng)殼體內(nèi)徑一定時(shí)，折流板間距隨著螺旋角的增大而增大，因此，殼程最小截 面面積也隨之增大。在相同的殼程流量下，大螺旋角試件最小截面的流速較低，不利于換熱。②螺旋角越小，流動(dòng)的切向分量越大，越有利于橫向沖刷換熱管，減小邊界層厚度，增強(qiáng)流體脈動(dòng)，有利于換熱。③切向速度分量可使流體產(chǎn)生離心慣性力，在離心慣性力的作用下，產(chǎn)生二次流動(dòng)，既沿半徑方向流動(dòng)，也使流動(dòng)擾動(dòng)大幅度增加，所以增強(qiáng)了換熱。

                  

        在弓形折流板結(jié)構(gòu)下，流體流過每一塊折流板都會(huì)產(chǎn)生返混流，且滯止區(qū)內(nèi)流體返混情況更加嚴(yán)重，因而傳熱溫差較低；由于制造公差的存在及安裝要求，管束與殼體存在一定的縫隙，使殼程存在較大的旁路流動(dòng)，即殼體壁面附近的切向流動(dòng)，折流板與殼體壁面之間及換熱管與折流板之間存在漏流，旁流及漏流降低了有效的橫掠管束的質(zhì)量流速，故減小了殼程的換熱效率。

        在螺旋折流板結(jié)構(gòu)下，螺旋流動(dòng)在流體上產(chǎn)生離心力，在離心力的作用下速度方向周期性改變，從而加強(qiáng)了流體縱向混合；另外渦流產(chǎn)生的二次流動(dòng)的強(qiáng)烈沖刷增強(qiáng)了換熱；螺旋流動(dòng)的流 體斜向沖刷管束，使速度邊界層變得很薄，使換熱系數(shù)大大增大；螺旋流動(dòng)和徑向二次流動(dòng)的疊加，使湍流度大幅增強(qiáng)，從而增強(qiáng)了換熱。

        3.殼程單位壓降下殼程傳熱系數(shù)和流量之間的關(guān)系

        從圖6可以看出：隨著殼程流量的增加，單位壓降下的殼程傳熱系數(shù)迅速下降，然后趨于平緩。在相同的殼程流量下，30°、40°螺旋折流板換熱器單位壓降下的殼程傳熱系數(shù)的規(guī)律是隨著螺旋角的增大而增大。不同試件單位壓降下的殼程傳熱系數(shù)的規(guī)律是螺旋折流板換熱器的大于弓形折流板換熱器的。在試驗(yàn)過程中，螺旋折流板換熱器與之相應(yīng)的弓形折流板換熱器換熱性能有較大的提高。流量在100～400L/min的范圍內(nèi)，殼程單位壓降下總傳熱系數(shù)值，30°螺旋折流板高于弓型折流板63.31%以上；40°螺旋折流板高于弓型折流板90.31%以上。

                      

        四、結(jié)論

        (1)螺旋折流板換熱器與相應(yīng)的弓形折流板換熱器相比，其特點(diǎn)是單位壓降下的殼程傳熱系數(shù)高。這就意味著在獲得相同的殼程傳熱系數(shù)條件下，螺旋折流板換熱器殼程阻力將小于弓形折流板換熱器，同時(shí)其流量要大于弓形折流板換熱器。

        (2)螺旋折流板換熱器的螺旋折流板使流體 在殼程產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，從而增強(qiáng)了換熱。 

        (3)綜合考慮，在螺旋折流板換熱器中，40°螺旋角的傳熱性能優(yōu)于30°螺旋角的。 

        五、建議 

        (1)換熱器的強(qiáng)化傳熱就是力求使換熱器在單位時(shí)間內(nèi)，單位傳熱面積傳遞的熱量達(dá)到最多。在通過擴(kuò)大傳熱面積強(qiáng)化傳熱方面，不僅可以通過殼程強(qiáng)化傳熱，還可以通過管程強(qiáng)化傳熱。如：螺旋槽紋管、橫紋管和螺旋扁管等。 

        (2)目前設(shè)計(jì)的螺旋折流板換熱器在殼程入口和出口附近，流體的流態(tài)同弓形折流板換熱器區(qū)別不大，可以把入口和出口改成切向接口，使殼程流體直接以螺旋流體流動(dòng)，以提高換熱降低壓降。

        (3)螺旋折流板換熱器可以由單殼程改為雙殼程。雙殼程比單殼程流通截面積減小了一半。可以在不失掉最佳傾斜角的情況下，得到了寶貴的高流速，確保螺旋折流板換熱器在傳熱、壓降、抗結(jié)垢及抗振動(dòng)等方面的優(yōu)勢(shì)。

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