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      哈雷釬焊板式換熱器
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      橢圓螺旋管束換熱器的試驗以及開發

      點擊:1771 日期:[ 2014-04-26 21:58:01 ]
                                  橢圓螺旋管束換熱器的試驗以及開發                                        楊 偉                                        遼寧工程技術大學     摘要:通過改變換熱器的結構形式和流程,設計了一種橢圓螺旋管束換熱器,理論分析了該換熱器傳熱效率提高的原因。試驗測試的結果表明,橢圓螺旋管束換熱器總傳熱系數高于普通換熱器的總傳熱系數,且加工成本降低,換熱器體積減小,是換熱器發展的一個新方向。     關鍵詞:橢圓螺旋管束 管程 殼程 總傳熱系數     0 引言     管殼式換熱器[1]作為一種不同介質間熱量交換的通用換熱設備,具有結構簡單,適用性強,適合于高壓、高溫條件下換熱的特點,其換熱效率的每一次提高都會節約能源、帶來巨大的經濟與社會效益。     目前,國內外在管殼式換熱器的設計中普遍采用在殼程設弓形折流板,殼程介質垂直于換熱管軸線的橫向流的設計模式,其最大優點是技術成熟。而提高換熱器的換熱效率始終是設計者的研究方向。為了提高換熱效率,筆者通過改變換熱器的結構和流程,設計了一種橢圓螺旋管束換熱器。     1 橢圓螺旋管束換熱器的結構形式     橢圓螺旋管束換熱器外殼由兩側封頭和中間筒體組成,內部由橢圓螺旋換熱管組成管束,橢圓螺旋換熱管管束的表面構成換熱器的傳熱面。橢圓螺旋換熱管管束兩端固定在螺旋形流量分配管、流量匯流管上,流量分配管、流量匯流管與殼體連接在一起。殼體的兩端設有管箱,在管箱和殼體上設有流體的進出口。一種介質從一側管箱流入筒體內,經過橢圓螺旋換熱管管束表面換熱后從另一側管箱流出,稱為殼程;另一種介質從筒體上的兩個接管沿與筒體相切的角度流入兩個流量分配管經流量分配管進入橢圓螺旋換熱管管束內,從另一側流量匯流管匯流,經與筒體相切的角度上的一組接管流出,稱為管程。這種結構布置形式構成了彈性管束效應[2],其結構形式如圖1所示。     2 管束結構布置強化傳熱     2.1 介質的流動方式強化傳熱     兩種介質在殼程和管程內呈逆向流動。在殼程內橢圓螺旋換熱管管束布置成兩個主介質螺旋流動通道,稱主渦流腔;兩個輔介質螺旋流動通道,稱輔渦流腔;其余橢圓螺旋換熱管管束呈螺旋形狀均勻分布,介質也在橢圓螺旋換熱管管束間隙中均勻分布。殼程介質首先從接管進入管箱,在管箱部分均勻分布后,經過流量回流管進入橢圓螺旋換熱管管束間。在主渦流腔介質旋轉向上流動,產生向心力和離心力,引導輔渦流腔內的介質旋轉向上流動,帶動整個殼程內的介質旋轉向上流動。在旋轉介質流動中心壓力較低,使整個旋轉介質受到向心力的作用;同時介質在旋轉過程中又受到離心力作用。在向心力和離心力平衡的范圍內,旋轉介質形成渦流,渦流收束于核心區并向介質出口方向。                                                圖1橢圓螺旋管束換熱器結構     在渦流影響下,殼程中橢圓螺旋換熱管管束間的流體與橢圓螺旋換熱管管束壁面邊界層流體充分混合,從而減薄了邊界層達到強化傳熱的目的[3]。殼程介質渦流流動,壓力損失小,可以在較低的壓力下工作,降低了設備的運行費用,同時也達到換熱器安全使用的目的。     管程介質經流量分配管均勻分配給每個橢圓螺旋換熱管(外側橢圓螺旋換熱管內介質流速高,流動距離長,流動阻力大;中心處橢圓螺旋換熱管內介質流速低,流動距離短,流動阻力小),在橢圓螺旋換熱管內螺旋流動。流量分配管和換熱管截面采用的橢圓形截面具有強化傳熱[4]的功能,并且介質是沿螺旋線方向流動的,進一步提高傳熱效率。     2.2 增大有效傳熱面積以強化傳熱     在整個換熱過程中,殼程介質沿管束的螺旋形狀布置形成螺旋腔引導介質沿螺旋方向均勻流動,因而不需要設置普通換熱器中必須采用的弓形折流板。不存在弓形折流板及筒體介質入口處的死區[3](介質在殼程內形成的相對靜止區和滯留區),死區體積占普通換熱器相對傳熱體積的17%,Re愈小,死區愈大。由于橢圓螺旋管束換熱器不存在死區問題,可提高傳熱效率15%以上[4]。     2.3 振動強化傳熱     殼程內的橢圓螺旋管束布置相當于一個懸臂梁,剛度略小于普通管殼式換熱器。普通管殼式換熱器換熱管的振動是橫向的且不可避免,容易一起破壞,是不利因素,應加以限制。橢圓螺旋管束換熱器的剛度略小,在振動時是縱向的,換熱管管束與流量分配管和流量匯流管組成整體構件剛度均勻,振動時不會造成換熱管管束與流量分配管和流量匯流管連接部位焊口的損壞,是可以利用的有利因素。     在換熱器運行過程中,殼程和管程內介質是逆向流動的,換熱管受到的縱向力基本平衡,但在殼程及換熱管外側,部分流體在0~45°橫掠過橢圓螺旋管,在其兩側的下游交替產生旋渦,形成周期性旋渦層流,致使換熱管上的壓力分布也呈周期性變化,導致換熱管產生縱向微小振動。傳熱表面的振動加強了流體的擾動,從而強化傳熱。     2.4 清除積垢以強化傳熱     換熱器運行一段時間后,在換熱管管束內外及殼體上會產生積垢,積垢是熱的不良導體。橢圓螺旋管束換熱器也存在同樣情況,但它具有自潔功能。當換熱器開始運行和結束運行時,換熱管會因溫度的變化而產生宏觀的局部變形,使硬化層脫落;當溫度穩定后,橢圓螺旋換熱管達到穩定狀態,積垢脫落完成。在介質的沖刷下,積垢流出換熱器體內,這就需要在橢圓螺旋管束換熱器的出口設置過濾裝置,清除介質內的積垢。     3 橢圓螺旋管束換熱器的阻力     由于介質在管程和殼程流動的復雜性,橢圓螺旋管束換熱器的阻力用計算方法計算非常困難,一般通過試驗或現場實測確定局部阻力系數。橢圓螺旋管束換熱器的阻力計算公式為[5]                     式中 Δp為局部阻力,Pa;ζ為局部阻力系數,通過實測求得;v為進口速度,m/s;ρ為介質密度,kg/m3。     直徑500 mm,高1 800 mm的橢圓螺旋管束換熱器的殼程流動阻力為Δpq=100~200 Pa,管程流動阻力為Δpg=200~300 Pa,流動阻力隨介質流速不同而發生變化。     4 熱工試驗測試及計算     從上述的理論分析可知采用這種方法能有效提高傳熱效率,但還需要試驗來證明。筆者對橢圓螺旋管束換熱器進行了熱工測試,熱工試驗測試系統如圖2所示。                                                    圖2熱工試驗測試系統     熱水從鍋爐房的分汽缸經調節閥,流量、溫度、壓力測量裝置從筒體上部進入橢圓螺旋管束管程,由下部閥門、壓力、溫度測量裝置流回集水缸;被加熱水由冷卻水箱經循環泵,調節閥,流量、溫度計量裝置從下部封頭進入殼程,由上部封頭流出,經溫度、壓力計量裝置流回冷卻水箱。     4.1 測試結果(見表1)          4.2 對數平均溫差計算     對數平均溫差計算公式為[5]                    式中 Δt1為上下側溫差中較小的值,℃;Δt2為溫差中的大值,℃。     根據式(2)對表1數據進行計算,計算結果見表2。                   4.3 換熱面積的計算     橢圓換熱管規格為Φ19 mm×2 mm,橢圓換     熱管管束縱向長度l= 1.5 m,橢圓換熱管根數n=127,橢圓換熱管螺旋次數ni=6,橢圓螺旋管束平均中徑為0.45,0.30,0.15 m,換熱管螺旋盤管中徑為da(m)。則換熱面積A=πd1[n(l-0.205m×2)+nida]=3.14×0.019 m×[127×(1.5 m-0.205 m×2)+6×(0.45 m×64+0.30 m×52+0.15 m×11)]=24.74 m2。     4.4 總傳熱系數的計算     總傳熱系數的計算公式為[5]                     式中 Q為熱負荷,取熱水的放熱量Q1和被加熱水的吸熱量Q2的平均值,W;A為換熱器總換熱面積,m2;K為總傳熱系數,W/(m2·℃)。根據式(3)計算出總傳熱系數,結果見表3。                     5 結語     換熱器傳熱性能的提高,可以從兩個層次上進行。第一個層次是提高流體與壁面間的表面傳熱系數,就是普遍研究的傳熱強化技術[4];第二個層次為改善冷、熱流體溫度場分布的相互關系。橢圓螺旋管束換熱器采用了第一個層次傳熱強化技術中的橢圓形截面換熱管(普通圓形截面換熱管軋制成橢圓形截面)來強化管程內的傳熱效果。又采用了第二個層次理論,改變換熱器整體結構布置和流程,均勻分配介質在管程和殼程內流量,能有效提高管程和殼程的換熱面積,達到換熱面積的合理匹配,使換熱器內整體溫度場協調統一,提高熱傳導效率。在管程內介質沿螺旋線方向流動,局部阻力比普通橢圓截面直管式換熱器的局部阻力略微有所增大;在殼程內,由于不采用折流板,阻力降低。這種結構形式不是以增加阻力作為代價來提高換熱器的性能,因此在工程應用方面更有意義。     橢圓螺旋管束換熱器按彈性管束的方法布置換熱管,換熱管在殼體內支撐方式相當于簡支梁形式,換熱管的支撐間距即流量分配管和流量匯流管間距不宜過大,以免剛度過低。因此應用范圍僅限于中、小型液體介質對流換熱器,對冷凝和沸騰傳熱還不適用。但與傳統的管殼式換熱器相比,它有以下優點:     1)總傳熱系數均高于普通換熱器(普通換熱器的總傳熱系數為850~1 700 W/(m2·℃)[5]),提高了換熱效率;     2)能自動清除積垢,保證換熱器長期在高換熱效率下運行;     3)管程壓損低,換熱器可以在低壓下運行,保證壓力容器產品的安全可靠性,同時運行費用低;     4)取消了折流板、管板,減小了換熱器的體積和金屬耗量,降低了制造成本。     參考文獻     [1] 全國壓力容器標準化技術委員會換熱設備分委員會.GB 151—1999 管殼式換熱器[S].北京:中國標準出版社,1999     [2] 程林.彈性管束換熱器原理與應用[M].北京:科學出版社, 2001     [3] 錢頌文,岑漢釗,江楠,等.換熱器管束液體力學與傳熱[M].北京:中國石化出版社,2000     [4] 過增元.場協同原理與強化傳熱新技術[M].北京:中國電力出版社, 2004     [5] 錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2002     [6] 連之偉,張寅平,陳寶明,等.熱質交換原理與設備[M].北京:中國建筑工業出版社,2004
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