哈雷釬焊板式換熱器
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                管殼式換熱器殼側在強化傳熱方面的進展

                點擊:1630 日期:[ 2014-04-26 22:14:15 ]
                                          管殼式換熱器殼側在強化傳熱方面的進展                              1.陳姝 2.高學農  3.徐娓  2.王端陽         (1.仲愷農業技術學院 機電工程系,廣東 廣州 510225; 2.華南理工大學 傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室,廣東 廣州 510640;3. 茂名學院 機電工程系,廣東茂名 525000)      [摘要] 本文從有功技術和無功技術兩個方面討論了管殼式換熱器在殼側強化傳熱方面所取得的一些進展及應用范圍,并簡介了CFD技術同管殼式換熱器結合研究的情況,提出將幾種強化技術和計算機輔助設計手段結合起來是將來換熱器的發展方向。      [關鍵詞] 管殼式換熱器;殼側;強化傳熱;CFD      管殼式換熱器廣泛應用于能源動力、石油化工等行業,同時換熱器的性能對產品的質量、能量利用、系統運行的經濟性和可靠性等方面有著重要的作用,因此提高換熱器性能顯得尤為重要。而管殼式換熱器的傳熱阻力往往來自于殼側,因此對殼側強化傳熱是改善換熱器性能的主要方式之一。強化傳熱理論指導強化傳熱的手段主要有提高平均溫差、增大換熱面積和擴大傳熱系數,對于換熱器提高平均溫差要受到材料的限制,提高傳熱面積又受空間的限制,因此提高傳熱系數是換熱器強化傳熱的有效方法,根據是否需要外加動力分為有功技術和無功技術。近 20 年來 CFD 技術作為一種輔助手段,倍受人們的關注,有著很好的研究空間和應用前景。目前對管殼式換熱器殼側流體流速的分析,旁路流、密封效果的定量分析等方面都需要計算機模擬進行輔助研究。     1 有功技術     顧名思義有功技術是需要采用外加動力(機械力、磁場力)的技術。這種技術主要包括:對冷熱介質作機械攪拌;換熱面震動;換熱流體震動;將電磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合;將異種或同種流體噴入換熱介質或將流體從換熱表面抽吸走。但是很多有功技術大多只處于試驗階段[1],其中只有幾種方法取得并不廣泛的應用。例如靜電場法在強化氣相、二相流和液體傳熱實驗上效果都比較好也有所應用,有著比較廣泛的研究空間和應用前景;射流法在法國研究比較成熟,這種技術已應用于制造陶瓷換熱器以適應高溫工作條件[2]。     2 無功技術     無功技術同有功技術相反是不需要外加動力的一種強化傳熱技術。這類強化方式一直以來受到廣泛的關注和深入的研究,因此很多方法已應用到工業當中。歸納起來無功技術方法主要有:粗糙面法、擴大傳熱面積法,添加劑和漩渦流等方法。在實際應用中,往往一種傳熱元件的改進融合了幾種強化傳熱方法,因此對于管殼式換熱器殼程強化傳熱,下面主要從傳熱管的與殼程支撐結構改進這兩個方面分別介紹已有強化傳熱方法的特點和適用范圍。     2.1 傳熱管的改進     隨著工業的發展,人們對傳熱效率要求提高了,使得以前一直應用于換熱器的普通光管不再滿足日益增長的需求,因此經過改進后的各種換熱管就應運而生。這些換熱管普遍都具有增加換熱面積,利用粗糙傳熱面強化邊界層湍流度的特點,但是具體特點又有所不同。     2.1.1 低肋管     低肋管(見圖 1)是開發較早的換熱管之一,主要應用于強化沸騰傳熱,它的換熱系數不僅較高,而且能有效的擴大傳熱面積,光管的傳熱面積只是低肋管的 38%。曾文良[3]等以空氣為介質將低肋管螺旋隔板換熱器的殼側傳熱實驗結果與光滑管螺旋隔板換熱器的有關文獻數據進行對比得出:在相同Re下,低肋管外的膜傳熱系數是光滑管的 1.4~1.7 倍。但是低肋管也有其自身的弱點:在低熱流率下,管子的傳熱性能在上下兩部分相差比較大,上部優于下部,不過隨著熱流率增加差距會逐漸減少,此外這種管型帶來的流動阻力會比較大。                                                                   圖 1 低肋管     2.1.2 螺紋管     螺紋管是一種由鋼管經環向滾壓軋制而成的整體低翅片管,適用于強化對流、冷凝傳熱。從內外螺紋管與光管的對比可看出螺紋管在強化傳熱和節能等方面的優點:內外螺紋管換熱器可提高傳熱系數,螺紋管的總傳熱系數為光管的兩倍以上;在滿足生產的情況下,兩臺內外螺紋管換熱器具有三臺光管換熱器的傳熱能力;對于相同結構的管殼式換熱器,內外螺紋管的換熱面積是光管的 1.5~2.5 倍;螺紋管換熱器對污垢的產生可起到延緩和抑制的作用,因而可減少熱阻,提高傳熱效率[4]。     2.1.3 花瓣管     華南理工大學王世平教授等于近年成功研制了花瓣狀翅片管[5](見圖 1)。其最大的特點是翅片從翅頂到翅根都被割裂開,翅片側面呈一定的弧線, 并有相對較小的曲率半徑?;ò隊畛崞苁且环N有三維翅片結構的強化管,管外的翅片結構是有規則的間斷的。其強化傳熱的機理包括兩方面:一是花瓣狀翅片增加了換熱面積,提高傳熱負荷;二是間斷的翅片反復地激發傳熱邊界層上的湍流度,使傳熱滯流底層減薄或斷裂從而起到強化傳熱效果[6]。其傳熱效能明顯優于國內外所采用的很多強化傳熱管。                                                                   (a)PF 管實物                                                                                      圖 2 花瓣狀翅片管(PF 管)     大量研究表明,花瓣管能顯著的強化潤滑油,空氣的對流傳熱和混合蒸汽的冷凝傳熱[7~9]。張正國[10]等人指出,螺旋隔板花瓣管油冷卻器的總傳熱系數比螺旋隔板低肋管油冷卻器提高10%以上,同時壓降也降低 46%左右;螺旋隔板花瓣管空氣冷卻器的總傳熱系數比螺旋隔板低肋管空氣冷卻器提高 20%~30%,同時壓降降低 10%~30%[11]。這種傳熱效能的差別除了是由于傳熱機理的原因,同樣翅片結構上的差異也帶來了流動壓降的區別,油和空氣在具有完全斷裂的三維翅片的花瓣管外螺旋流動時的摩擦阻力要比在二維翅片結構的低肋管外小[10]。在加工方面將這兩種強化管進行對比得出:雖然他們的加工費用大致相當,但是由于加工方法的差異使得低肋管的管壁厚于花瓣管,因此花瓣管可比低肋管節省材料 30%左右。     2.1.4 管子自支撐結構     近年開發出來的一些自支撐管結構是通過改變傳熱管的形狀既實現了管束間的相互支撐又改變殼側流體的流動方向以強化傳熱效果,這種結構省略了殼側折流板、折流管等支撐部件,令換熱器結構更加緊湊。目前開發出來的自支撐結構管有如刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等。這類管依靠自身的一部分如刺孔膜片、螺旋線或變徑部分的點接觸來支撐管子, 同時又作為殼程的擾流元件, 增大了流體流動的湍流度, 破壞了管壁上的流體邊界層,進而強化殼側傳熱效果【12,13】。     為了強化傳熱,近年來還出現了其它管形,例如:管外冷凝系數為光管 4~5 倍的縱槽管,冷凝給熱系數為光管 6 倍、低肋管1.5~2倍的鋸齒形翅片管[14]和傳熱性能比鋸齒形翅片管略勝一籌的凹面鋸齒形翅片管等等。     2.2 管間支撐結構的改善      傳統的管殼式換熱器大多采用單弓形隔板支撐,這樣使流體呈“Z”型流動,這種流動式促成在隔板和殼壁相連處存在流動死區致使傳熱系數降低;流體在弓形隔板間的分離引起動量的急劇變化而造成壓力的嚴重損失;在隔板與殼體或(和)管之間旁路流和泄漏流現象嚴重而降低流體的有效質量流速。為了改善流體在殼側的傳熱性能,相繼推出一些優化結構。而流體在殼側中作縱向流動是管殼式換熱器中最理想的流動形式[9],因此這是優化殼側結構的主要思想。     2.2.1 折流桿式換熱器     折流桿式換熱器由排布的支撐桿和其他元件形成折流柵來代替折流板而使流體在殼程形成一系列折流,這樣既可以防震,還可以增加流動介質的湍流度,提高管間給熱系數。折流桿式換熱器壓降很低,為弓形隔板的 1/4 以下,傳熱特性比也高,傳熱強化達 1.3~2.4 倍,已經試制的氣-氣折流桿換熱器和應用于有相變和無相變的流感螺旋槽再沸器,都能獲得比較滿意的效果[15]。     2.2.2 異型隔板換熱器     異形隔板[16-19]是通過對隔板的結構和安排的改變來引起殼側流體的流動速度和方式的變化,從而減少殼側易結垢的死區來提高換熱系數。并且隔板在列管式換熱器中還有支撐管子,實現流體預期速度,減少管子震動的作用。目前常見的異形隔板換熱器形式主要有:雙弓形隔板,螺旋形隔板。     一般雙弓形隔板(見圖 2)包括 A 型(雙弓形隔板)和 B型(中心隔板),并將他們沿管束方向交替排列。與間距和缺口相同的單弓型隔板相比其壓降為 0.3~0.5,傳熱系數為 0.6~0.8。因此可以看出盡管壓降和傳熱系數均下降,但總體的傳熱性能還是提高的。                      下面側重介紹一種高效,緊湊的換熱設備,其性能優于其它類型的管殼式換熱器—螺旋隔板換熱器(見圖 3)。因其使流體在殼側作螺旋運動,流體在流道內流動長度增加且流動平滑因而在流道中流速和壓差分布比較均勻,所以帶來下面一系列優點:擋板和管束或(和)殼壁之間的泄漏流和旁路流和反混現象會大量的減少;流動死區也基本消除,因而使得殼側污垢面積大大減少,總體上減少了滯留區而增加了湍流度,因此提高了殼側的傳熱系數并降低了壓降,此外這種結構還能增強管束的穩定性,防止震動。并且經研究可認為[20],在殼側流道內加入多孔介質可增加流道內流體的湍流度,提高對流換熱系數。實驗結果表明,與相同工況下的直擋流板相比,螺旋隔板殼側努塞而數可提高 49.4%,加入多孔介質后殼側努塞而數可提高79.5%。此外在螺旋角為 40 度左右時,邊界層流體流動形式在流道內表現為全發展流,此時換熱器效率最高[18]。                                                               圖 4 螺旋隔板換熱器     通過已知實驗數據可以看出螺旋隔板換熱器的優良性能,對于以壓縮空氣為工質,在相同的 Re下,光滑管螺旋隔板換熱器的管外膜傳熱系數是光滑管弓形隔板換熱器的 1.25~1.8 倍[21];對光滑管螺旋隔板換熱器實驗結果表明[22],相同流量下單位壓降的殼側對流傳熱系數,對低粘度流體,螺旋隔板約為普通隔板的 2.4 倍,對高粘度流體,螺旋隔板約為普通隔板的 1.5倍;若將螺旋隔板換熱器作為水蒸氣冷凝器,美國 ABB 公司研究結果表明[23],螺旋隔板低肋管冷凝器比弓形隔板低肋管冷凝器壓降降低大約 50%,并且傳熱面積增加 10%以上;在冷態流動的對比實驗結果表明[24],在殼程流速為 0.01~0.4m/s 時,螺旋隔板換熱器比弓形隔板換熱器壓降降低 20%(流量流速相同的前提下);還有試驗說明[25],螺旋隔板換熱器的傳熱系數最大可以為理想錯流條件下(代表弓形隔板換熱器)的 1.39 倍,壓降隨著螺旋角的不同大約可降低 26%~60%。      一直以來國內外在優化殼側結構這方面作了很多工作,也提出了很多擋板(桿)結構以強化傳熱,上面介紹的是幾種比較常見和高效的形式。      3 CFD 技術的應用      CFD 是在實驗和解析之后又一種研究流體流動、傳熱和化學反應的方法,可以彌補試驗耗資大、周期性長等缺點,運用CFD 技術對管殼式換熱器的殼側流場進行計算機模擬,可以對其他方法難以掌握的殼側瞬態的溫度場和速度場有所了解,利于換熱器的機理分析和結構優化。目前比較常見的模擬軟件主要有 phoenics, fluent 等,利用模擬軟件進行模擬,使 CFD 技術與實驗研究相輔相成,以便更好地進行殼程流體流動的分析和設計優化。       4 小結      一直以來,人們對于如何提高管殼式換熱器殼程的強化傳熱效果進行了大量的研究,將多種強化傳熱技術和輔助手段綜合運用于高效的換熱設備還在研制中,CFD 技術作為一種輔助手段,有益于換熱器的優化設計和評估性能優劣,因此將來換熱器的發展方向是將多種強化傳熱技術與計算機輔助設計手段結合使用。
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