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      哈雷釬焊板式換熱器
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      管殼式換熱器折流板缺口高度的優化

      點擊:3469 日期:[ 2014-04-26 21:35:25 ]
                             管殼式換熱器折流板缺口高度的優化                          王明軍  時章明  李明輝  沈浩                   (中南大學能源科學與工程學院,長沙410083)     [摘要]分析了換熱器的折流板缺口高度,得到了當折流板的缺口高度改變時,換熱器的換熱和壓力的變化情況。根據JF因子的大小,找到了折流板缺口高度變化時最佳的折流板缺口高度。     [關鍵詞]換熱器;折流板;數值模擬;JF因子[中圖分類號]T2051.5[文獻標識碼]A[文章編號]1008-5122(2011)05-0028-03     0·引言     在石油化工行業領域中主要采用的管殼式換熱器,它以結構簡單,設計制造工藝成熟,安全性較高以及適應性較強等特點占據主導[1]。采用強化傳熱技術對換熱器進行設計,是提高換熱器換熱性能的重要手段,同時,這樣對換熱器提高能量利用率、節能降耗至關重要。而通過對換熱器折流板的優化,也是對換熱器進行強化傳熱的重要手段。本文以株洲冶煉廠制酸系統中轉換工段所采用的管殼式換熱器為研究對象,在保持各項物性參數和其他結構參數以基準工況的條件下,僅僅只對換熱器的折流板高度進行改變。通過對其進行數值模擬,分析不同折流板缺口高度下殼側流體流動狀態,以及對壓降的影響,綜合分析了其對換熱器整體換熱性能的影響,運用JF評價因子的方法對不同折流板缺口高度下的換熱器綜合性能進行評價,最終確定出在基準工況下最佳的折流板缺口高度[2-6]。     1·換熱器的優化設計方案     1.1基準工況及結構參數     本文所研究的換熱器由20#滲鉬鋼加工而成,而煙氣分為在管內流動的SO3煙氣和管外流動的SO2煙氣。煙氣成分主要由SO2、SO3、O2、N2和H2 O蒸汽組成。     換熱器基準工況為:殼程煙氣進口溫度為320℃、煙氣流速為7.83 m/s,管程進口溫度為544.5℃、煙氣流速為9.32 m/s。     換熱器的主要結構參數見表1。     本文保持折流板數目nb=3不變,所有的進出口條件和計算的設置和基準工況保持一致,只是對折流板缺口的高度進行改變。換熱器處于基準工況時,換熱器的折流板缺口高度為0.25D。分別取折流板缺口高度為0.2D、0.3D、0.4D和0.5D進行研究。     首先通過對上述折流板缺口高度下換熱器的換熱狀況進行模擬,通過計算和分析,得出其換熱系數和整體壓降,然后通過采用JF評價因子的方法對不同折流板缺口高度下的換熱器綜合性能進行評價,確定出在基準工況下最佳的折流板缺口高度。     2·計算結果與分析     2.1計算結果     通過模擬計算,得到了在基準工況下,折流板缺口高度分別為0.2D、0.3D、0.4D和0.5D時換熱器的管側和殼側平均溫度及總體壓降,如表2所示。     2.2結果分析     2.2.1折流板缺口高度對壓降的影響     對換熱器進行整體分析,當換熱器折流板的缺口高度變化時,換熱器總的壓降變化如圖1所示。隨著折流板缺口高度的變化,換熱器的整體壓降變化并不是均勻的。當折流板的缺口高度從0.2D增加到0.3D時,總的壓降減小了135 Pa;而當缺口高度從0.4D增加到0.5D時,總的壓降卻僅僅為49.51 Pa。由此可以看出,當缺口高度為0.2D時,換熱器的總壓降是非常大的,而當缺口高度增大到0.4D時,如果繼續增大缺口高度,其總壓降的減小幅度已經非常小了。                   實際上,當折流板缺口高度以等差數值逐漸遞增時,缺口處流動區域的面積是加速增加的。折流板的缺口高度從0.4D增加到0.5D,與從0.2D增加到0.3D相比,前者增加的流通面積要大于后者,而總壓降減小的值卻不是很大??梢缘贸?,當折流板的缺口高度加大到0.4D時,流體的通道面積已經足夠大了。     為了深入了解換熱器內部壓力分布情況,本文在4種不同折流板缺口高度的換熱器內部分別選取了8個不同位置的測點(1-8),各個測點的空間坐標依次是:(0,4 200,2 997.75),(0,4 200,4996.25),(0,65,4 966.25),(-60,28,4 996.25),(-60,-28,4 996.25),(0,-65,4 996.25),(0,-4 100,4 996.25),(0,-4 100,6 994.75)。     經過計算得到了每個不同折流板缺口高度的換熱器在所設定位置的8個測點的壓力值,為了便于比較,以第8個測點的值作為基準,作為壓力零點,繪制出的壓力變化曲線圖如圖2所示。                  從圖2可以看出,當折流板的缺口高度為0.2D時,壓力降低的幅度很大,而且壓力損失主要分布在測點1、2之間和測點7、8之間的區域,也就是通過折流板缺口時的壓力損失。為了明顯起見,將流體通過2~8點的過程作為一個流動單元來分析。當流體通過折流板缺口時(7~8點),其壓降值占總壓降的65%以上,而錯流流動的壓降值(測點2~7)則不到總壓降的35%。當折流板缺口高度不斷增大時,錯流流動區域的壓降值逐漸減小,但減小幅度不是很大;而折流板缺口處的壓降變化幅度卻急劇減小,特別是當缺口高度從0.3D增大到0.4D時,折流板缺口處的壓降幅度己經變得非常小,大約僅僅占總壓降值的8%左右。當繼續增大折流板的缺口高度時,則對于壓力變化并沒有多大的影響。     2.2.2折流板缺口高度對傳熱系數的影響     從圖3可以看出,隨著折流板缺口高度的增加,換熱器的總體換熱系數在逐漸減小,這正是殼側流體流動速度的減小引起的,而且總體換熱系數幾乎是均勻減小的。由前面計算和分析可知,當折流板的缺口高度從0.4D增大到0.5D時,總壓降減小的幅度已經非常小,因此這個變化過程中的總體換熱性能是減小的。也就是說,折流板的缺口高度從0.4D增加到0.5D是沒有必要的。                   3·最佳折流板缺口高度的確定     JF因子評價法是一種能夠很好的兼顧換熱器的換熱和壓力的評價方法,本文采用它來對優化后的換熱器綜合性能進行評價。其表達式為:          通過計算,得到優化結果。以h=0.2D的換熱器為基準,則JF值隨著折流板缺口高度h的變化如圖4所示。                   通過采用JF因子對優化后的換熱器性能進行評價可以得出,當折流板缺口高度h=0.4D時,換熱器的性能最佳,此時JF=1.022。也就是說,對于本文基準工況下折流板的數目nb=3的管殼式換熱器,折流板應該選擇一個缺口高度為0.4D的折流板。因為缺口高度h過小,壓力損失會很大;而缺口高度h過大時,換熱的效率又太低。     4·結論     (1)換熱器整體壓力損失隨著折流板缺口高度的增加而減小,且這種減小的速度并不是均勻的。     (2)隨著折流板缺口高度的增加,換熱器的總體換熱系數在逐漸減小,且這種減小的速度是接近均勻的。     (3)對于本文基準工況下的nb=3的折流板應該選擇一個缺口高度為0.4D的折流板,如果缺口高度h太小,壓力損失太大,如果h過大,換熱的效率又太低。 [參考文獻] [1]秦叔經,葉文邦.化工設備設計全書—換熱器[M].北京:化學工業出版社,2003:1-4. [2]Lutcha J,Nemcansky J.Performance improvement of tu-bular heat  exchangers by helical baffles[J].TransIChME,1990,68(A):263-270. [3]鄧斌,陶文銓.換熱器殼側流動與換熱的數值模擬及實驗研究[J].西安交通大學學位論文,2003:6-10. [4]劉敏珊,董其伍,劉乾.折流板換熱器殼程流場數值模擬與結構優化[J].節能,2005,10:3-5,16. [5]Guo Lihua,Qin Guo,Chen Jiangping,et al.In fluence of geometrical  factors and pressing mould wear on thermal-hydraulic characteristics  for steel offset strip fins at lowReynolds number[J].International  Journal of ThermalSciences,2007,46:1285-1296. [6]徐國想,鄧先和,許興友,等.換熱器傳熱強化性能評價方法分析[J].淮海工學院學報:自然科學版,2005,2(14):42-44.
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