断续螺旋折流板在管壳式换热器中的应用.doc

断续螺旋折流板在管壳式换热器中的应用

【关键词】断续螺旋折流板,管壳式换热器
【摘要】目前,在石油、化工、制冷、冶金及动力等工业部门广泛地应用着管壳式换热器.对于水—水管壳式换热器而言,一般壳侧流体流速较低,换热热阻较大,因此增强壳侧换热就显得尤为重要.近年来人们采用各种各样的折流支撑结构来改变壳侧流体的流动形态,以求增强壳侧换热.
    目前,在石油、化工、制冷、冶金及动力等工业部门广泛地应用着管壳式换热器.对于水—水管壳式换热器而言,一般壳侧流体流速较低,换热热阻较大,因此增强壳侧换热就显得尤为重要.近年来人们采用各种各样的折流支撑结构来改变壳侧流体的流动形态,以求增强壳侧换热.其中螺旋折流板支撑结构以其高传热、低流阻的特点得到了人们的关注[1,2].但以前的研究都是针对全螺旋折流板换热器,而对于大型换热器来说,螺旋支撑元件加工困难,而且如果用全螺旋支撑,则其穿管难度很大.若用断续螺旋折流板代替全螺旋折流板,其难度将会大大降低,因此在管壳式换热器中应用断续螺旋折流板,并对其传热及流阻进行研究是有意义的.
    将以水为工质,进行断续螺旋折流板与弓形折流板换热器的对比实验研究,从而探讨将断续螺旋折流板应用于管壳式换热器中的可能性.
1　实验装置流程及实验体
    实验装置流程如图1所示,实线为冷水回路,虚线为热水回路.冷水由冷水泵送入实验换热器的管程并与管外热水换热后流回冷水池.加热水箱中的水由冷水泵从冷水池送入.冷水经过加热,被热水泵抽出,经过预热器(用来微调换热器壳侧入口热水温度)进入实验换热器壳侧,与管程冷水换热后流回加热水箱.实验中,换热器冷水与热水进、出口压差均由普通的Ｕ型水银压差计测量,冷热水进出口分别安装有经过重新标定的铠装铜—康铜热电偶,用ＵＴ58Ｅ型万用表测量进、出口温度,流量用ＬＷＧＹ-40Ａ型涡轮流量计测量.

   换热器采用浮头管板式结构,在同样的壳体内,交替插入2个同样大小的断续螺旋折流板管束见图2(ａ)和弓形折流板管束见图2(ｂ),在以水为工质下进行对比实验.2种管束除折流板不同外,其他结构完全相同.管束长1510ｍｍ,采用正三角形排列,由26根Φ16×1的Ｂ30光管及5根直径为16ｍｍ的拉杆构成,壳体直径为Φ160×5.断续螺旋折流板管束的折流板元件由特制的模具加工而成,整块折流板元件呈连续的螺旋面,每个螺旋支撑由2个元件组成,对接处采用电焊连接.螺旋支撑在管束上间距为250ｍｍ,共3块.弓形折流板切口42.5%,间距464ｍｍ,共2个.

2　实验数据的处理
2.1　换热量的计算
2种管束换热器的冷水吸热量与热水放热量可按式(1)计算:
Ｑ=ＧＣｐΔｔ,(1)
式中:Ｇ为介质质量流量,ｋｇ/ｈ;Ｃｐ为介质的平均定压比热(根据流体平均温度查表),ｋＪ/ｋｇ·Ｋ;Δｔ为介质的进、出口温差,Ｋ.
实验中,由于热水放热量与冷水吸热量相对偏差的绝对值小于10%,故热负荷取热水放热量与冷水吸热量的算术平均值
Ｑ=(Ｑｒ+Ｑｌ)/2.(2)
2.2　换热器总传热系数及管内、壳侧平均对流换热系数的计算
    管束平均总传热系数
Ｋ=Ｑ/(Ａｏ·Δｔｍ),(3)
式中:Δｔｍ为对数平均温差,Ｋ;Ａｏ为管束外表面积,ｍ2.管内平均对流换热系数用Ｄ—Ｂ公式求得:

式中:λ为流体导热系数,Ｗ/(ｍ·Ｋ);ｄ为管内径,ｍ.由于实验体采用的是新管,故污垢热阻不予考虑,壳侧平均对流换热系数ｈ0可由传热系数Ｋ的表达式求出:

式中:ｄｉ、ｄｏ分别为管内、壳侧的当量直径,ｍ;λｗ为管壁导热系数,Ｗ/(ｍ·Ｋ).
3　实验结果及分析
3.1　传热实验结果及分析
实验得到了壳侧热水在不同流速时两换热器的壳侧平均对流换热系数,结果见图3,图3中Ｌ代表断续螺旋折流板换热器,Ｇ代表弓形折流板换热器.由图3可见,在热水流速相等的条件下,断续螺旋折流板换热器壳侧的平均对流换热系数比弓形折流板换热器要高得多.这是由于管束上安装了螺旋折流板之后,当壳侧热水进入第一段螺旋折流板通道后,开始呈螺旋形流动,螺旋形流动的热水的速度可以分解为2个分量,一个速度分量沿管轴方向,促使流体沿管轴向前流动;另一个速度分量垂直于管轴方向,促使流体绕管束旋转流动.垂直轴方向的流动可以加强对管束的冲刷,破坏传热边界层,使传热强化;而轴向方向的流动则可以促进流体的进一步扰动,而且本身冲刷管壁,这样就使得传热得到进一步的强化.当热水从螺旋折流板通道出来后,由于没有了折流板的限制,流体开始由螺旋流向纵向流转变,但是很快又会进入第2、3段螺旋折流板通道,重新开始呈螺旋形流动,又重复了前述的流动及传热的特征,直至流出换热器.在实验流速内,断续螺旋折流板换热器的壳侧平均对流换热系数为弓形折流板换热器的1.39～1.67倍.

   图4给出了2种管束在不同热水流量下总传热系数Ｋ与冷水流速的关系,图4中Ｌ、Ｇ分别代表断续螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器,其后数字为壳程热水流量,ｍ3/ｈ.

   由4图可见,当壳侧热水流量一定时,总传热系数随着冷水流速的增大而增大.在3种热水流量下,随着管内冷水流速的增加,断续螺旋折流板换热器的总传热系数均比弓形折流板换热器高得多.实验结果表明,在热水流量一定时,断续螺旋折流板换热器的总传热系数是弓形折流板换热器的1.15～1 37倍.这说明在管壳式换热器中,应用断续螺旋折流板能显著增强换热.
3.2　壳侧阻力实验结果及分析
   换热器壳侧流动阻力实验是在冷态条件下进行的,测点位于换热器进出口接管上.图5给出了2个管束壳侧流动阻力与热水流速的关系.由图可见,随着水流速的增大,断续螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器壳侧流动阻力均增加.在相同的热水流速下,断续螺旋折流板换热器的阻力明显大于弓形折流板换热器的阻力.其原因可能是由于采用3个螺旋折流板支撑的结果.在断续螺旋折流板换热器壳侧,水由螺旋流冲刷转变为纵向流冲刷,之后又由纵向流冲刷转变为螺旋流冲刷,水流方向的多次转变造成了流动阻力的增加.在实验范围内,断续螺旋折流板换热器的壳侧流动阻力为弓形折流板的3.25～3.67倍.

4　结　论通过对比实验研究可知,断续螺旋折流板可使换热器的换热能力明显增强,但阻力也增大.因此,为使其能在工程中得到应用,还应在减小流动阻力和结构优化方面做进一步深入的研究.
参考文献:
[1]陈世醒,张克铮,张　强.螺旋折流板换热器的开发与研究[Ｊ].抚顺石油学院学报,1988,18(3):31-38.
[2]ＬＵＴＣＨＡＪ,ＮＥＭＣＡＮＳＫＹＪ.
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｕｂｕ
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