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                  靜態混合元件及其在換熱器設計中的應用

                  點擊:2251 日期:[ 2014-04-26 22:45:05 ]
                  魏洛軍  摘要 介紹靜態混合元件的兩種形式及該元件在換熱器設計中的應用。 關鍵詞 靜態混合元件 傳熱 換熱器設計   靜態混合元件在傳熱及其它領域中所起的作用已被人們所接受。目前應用最廣泛的Kenics元件具有傳熱效果好、制造工藝簡單的特點,從而被大量應用在換熱器等工業設備上。但是其加工量大、安裝麻煩等缺點,卻大大影響了生產制造效率。鄭州工業大學提出一種改進型Kenics 靜態混合元件(以下簡稱GK 型元件) ,克服了Kenics元件在制造上的缺點,特別是作為大中型換熱器的強化傳熱元件與Kenics 元件相比,其加工制造、安裝生產效率能提高幾倍,甚至十幾倍。同時,它又保留了Kenics 元件的基本結構單元,具有強化傳熱、降低阻力的特點。因此, GK 型元件具有很高的應用價值。 1  Kenics 元件及GK型元件的結構   Kenics 元件的結構如圖1 (a) 所示。它由許多個旋轉方向不同的元件單元連接而成,其缺點是加工量大。   GK型元件的結構圖,見圖1 ( b) ,其結構與“麻花鐵”相似,它是根據傳熱原理和Kenics 元件結構提出的,通過試驗及廠家應用表明,其傳熱效果好,流體阻力小,且制造安裝方便。   2  靜態混合元件的阻力降和傳熱膜系數   Kenics 元件和GK型元件在加熱試驗情況下測定的傳熱數據和流體阻力分別見圖2 、圖3 。圖2 為這兩種元件的傳熱膜系數(分別用αK ,αGK表示) 同空管的傳熱膜系數(αo ) 之比值與雷諾數(Re) 之間的關系; 圖3 為這兩種元件的阻力降(分別用ΔPK、ΔPGK表示) 同空管的阻力降(ΔPo )之比值與雷諾數(Re) 之間的關系。 (1) Kenics 元件和GK 型元件均具有強化傳熱的能力,但阻力降都比空管大。這是因為加入靜態混合元件后,增強管內流體的湍動程度,減少傳熱邊界層厚度,強化了傳熱,必然使流體流動阻力增加。 (2) GK 型元件的傳熱膜系數比Kenics 元件的傳熱膜系數低,但阻力降卻低得多。這是因為從結構上看, GK 型元件的曲線輪廓變化連續且緩慢;而Kenics 元件的相鄰元件輪廓變化是突然的。這就使流體在GK型元件中的湍動程度低于在Kenics 元件中的湍動程度,導致GK 型元件的傳熱能力低于Kenics 元件。   從數值上看,αGK約等于(0. 861~0. 990)αK和2αo ,而ΔPGK約等于(0. 475~0. 486)ΔPK ,說明GK型元件在傳熱膜系數降低不太多的情況下,卻大大降低了流體阻力。這是因為GK型元件并沒有完全改變Kenics 元件的結構,只是相當于改變了相鄰兩個Kenics 元件的連接方式。從傳熱機理上看,在傳熱邊界層達到一定厚度時,如果再增加流體的湍動程度,必然會導致流體阻力增加,而不會更多地提高傳熱膜系數。 3  靜態混合元件在換熱器設計中的應用   從傳熱基本方程式Q = KAΔtm 可知,在滿足工藝要求的前提下(即滿足Q、Δtm 要求) ,要想減小換熱面積A 最有效的方法是提高傳熱系數K值。K值主要取決于兩流體的傳熱膜系數,并與管壁熱阻以及污垢層的熱阻有關。由于: K=1/(1/α1+1/α2+Σδ/λ)   顯然,減小分母中的任何一項,都可增大K值。當垢層熱阻不是K值的主要影響因素時,如管內α1n 管外α2 (如管外為液體介質,管內為氣體介質時) ,K值主要取決于α1 。因此,只有設法增大α1 ,才能有效提高K值。這也正是靜態混合元件的優勢所在。因為,靜態混合元件的傳熱膜系數為空管的2 倍左右,所以,它也能使K 值增加近2 倍。相應地,在工藝條件不變的情況下,可使換熱面積減少一半左右。例如,滑縣化肥廠變換工段主換熱器,換熱面積按空管計算為400m2 ,而實際使用GK 型元件只需200m2 ,生產中應用良好,并降低設備成本。   我們在做改擴建工程設計時,經常要遇到利用現有設備的問題。從節約投資和設備布置考慮,增大換熱器或在既定換熱器上再增加換熱面積都是不現實的。平均溫度差一般已為工藝條件所確定,變動的范圍也是有限的。因此,為提高K值,在設計時采用靜態混合元件,將不失為一種行之有效的技術手段。由于加入靜態混合元件,可增強管內流體的湍動程度,提高傳熱膜系數,增大K值,從而有效地提高現有設備的生產能力。例如,漯河制藥廠利用蒸發器濃縮藥物,采用GK型元件使蒸發時間縮短一半,并且此熱敏性藥的藥性能得到保障。   另外,靜態混合元件也特別適用于高粘度物料的場合。由于高粘度物料在空管內的湍動程度低,使傳熱邊界層厚度增大,傳熱效果降低。如加入靜態混合元件,物料在螺旋片作用下呈螺旋狀流動,產生徑向分速度,沖刷傳熱面,影響邊界層的形成,從而強化了傳熱。例如,南陽酒精總廠在黃原膠蒸發器中GK 型元件的應用效果就是如此。 4  結語   總之,GK型元件和Kenics 元件同樣具有強化傳熱的作用,都具有廣泛的用途。但從加工制造的生產效率考慮, Kenics 元件在制造時需要將許多左旋、右旋的元件相間排列,首尾相接連在一起,增加了加工量; 而GK 型元件的制作比較容易,效率較高,且能有效地降低制造成本,縮短制造周期,特別適用于大、中型換熱器。   當然,在具體應用靜態混合元件時,要綜合考慮阻力增加、設備結構、清洗檢修等問題,使設計更加完善。  
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