哈雷釬焊板式換熱器
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                  斷續螺旋折流板在管殼式換熱器中的應用

                  點擊:2120 日期:[ 2014-04-26 22:55:04 ]
                  吳國輝,黃渭堂,孫中寧(哈爾濱工程大學動力與核能工程學院,黑龍江哈爾濱150001)目前,在石油、化工、制冷、冶金及動力等工業部門廣泛地應用著管殼式換熱器.對于水—水管殼式換熱器而言,一般殼側流體流速較低,換熱熱阻較大,因此增強殼側換熱就顯得尤為重要.近年來人們采用各種各樣的折流支撐結構來改變殼側流體的流動形態,以求增強殼側換熱.其中螺旋折流板支撐結構以其高傳熱、低流阻的特點得到了人們的關注[1,2].但以前的研究都是針對全螺旋折流板換熱器,而對于大型換熱器來說,螺旋支撐元件加工困難,而且如果用全螺旋支撐,則其穿管難度很大.若用斷續螺旋折流板代替全螺旋折流板,其難度將會大大降低,因此在管殼式換熱器中應用斷續螺旋折流板,并對其傳熱及流阻進行研究是有意義的.    將以水為工質,進行斷續螺旋折流板與弓形折流板換熱器的對比實驗研究,從而探討將斷續螺旋折流板應用于管殼式換熱器中的可能性.1 實驗裝置流程及實驗體    實驗裝置流程如圖1所示,實線為冷水回路,虛線為熱水回路.冷水由冷水泵送入實驗換熱器的管程并與管外熱水換熱后流回冷水池.加熱水箱中的水由冷水泵從冷水池送入.冷水經過加熱,被熱水泵抽出,經過預熱器(用來微調換熱器殼側入口熱水溫度)進入實驗換熱器殼側,與管程冷水換熱后流回加熱水箱.實驗中,換熱器冷水與熱水進、出口壓差均由普通的U型水銀壓差計測量,冷熱水進出口分別安裝有經過重新標定的鎧裝銅—康銅熱電偶,用UT58E型萬用表測量進、出口溫度,流量用LWGY-40A型渦輪流量計測量.    換熱器采用浮頭管板式結構,在同樣的殼體內,交替插入2個同樣大小的斷續螺旋折流板管束見圖2(a)和弓形折流板管束見圖2(b),在以水為工質下進行對比實驗.2種管束除折流板不同外,其他結構完全相同.管束長1510mm,采用正三角形排列,由26根Φ16×1的B30光管及5根直徑為16mm的拉桿構成,殼體直徑為Φ160×5.斷續螺旋折流板管束的折流板元件由特制的模具加工而成,整塊折流板元件呈連續的螺旋面,每個螺旋支撐由2個元件組成,對接處采用電焊連接.螺旋支撐在管束上間距為250mm,共3塊.弓形折流板切口42.5%,間距464mm,共2個. 2 實驗數據的處理2.1 換熱量的計算2種管束換熱器的冷水吸熱量與熱水放熱量可按式(1)計算:Q=GCpΔt,(1)式中:G為介質質量流量,kg/h;Cp為介質的平均定壓比熱(根據流體平均溫度查表),kJ/kg·K;Δt為介質的進、出口溫差,K.實驗中,由于熱水放熱量與冷水吸熱量相對偏差的絕對值小于10%,故熱負荷取熱水放熱量與冷水吸熱量的算術平均值Q=(Qr+Ql)/2.(2)2.2 換熱器總傳熱系數及管內、殼側平均對流換熱系數的計算    管束平均總傳熱系數K=Q/(Ao·Δtm),(3)式中:Δtm為對數平均溫差,K;Ao為管束外表面積,m2.管內平均對流換熱系數用D—B公式求得:式中:λ為流體導熱系數,W/(m·K);d為管內徑,m.由于實驗體采用的是新管,故污垢熱阻不予考慮,殼側平均對流換熱系數h0可由傳熱系數K的表達式求出:式中:di、do分別為管內、殼側的當量直徑,m;λw為管壁導熱系數,W/(m·K).3 實驗結果及分析3.1 傳熱實驗結果及分析實驗得到了殼側熱水在不同流速時兩換熱器的殼側平均對流換熱系數,結果見圖3,圖3中L代表斷續螺旋折流板換熱器,G代表弓形折流板換熱器.由圖3可見,在熱水流速相等的條件下,斷續螺旋折流板換熱器殼側的平均對流換熱系數比弓形折流板換熱器要高得多.這是由于管束上安裝了螺旋折流板之后,當殼側熱水進入第一段螺旋折流板通道后,開始呈螺旋形流動,螺旋形流動的熱水的速度可以分解為2個分量,一個速度分量沿管軸方向,促使流體沿管軸向前流動;另一個速度分量垂直于管軸方向,促使流體繞管束旋轉流動.垂直軸方向的流動可以加強對管束的沖刷,破壞傳熱邊界層,使傳熱強化;而軸向方向的流動則可以促進流體的進一步擾動,而且本身沖刷管壁,這樣就使得傳熱得到進一步的強化.當熱水從螺旋折流板通道出來后,由于沒有了折流板的限制,流體開始由螺旋流向縱向流轉變,但是很快又會進入第2、3段螺旋折流板通道,重新開始呈螺旋形流動,又重復了前述的流動及傳熱的特征,直至流出換熱器.在實驗流速內,斷續螺旋折流板換熱器的殼側平均對流換熱系數為弓形折流板換熱器的1.39~1.67倍.   圖4給出了2種管束在不同熱水流量下總傳熱系數K與冷水流速的關系,圖4中L、G分別代表斷續螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器,其后數字為殼程熱水流量,m3/h.   由4圖可見,當殼側熱水流量一定時,總傳熱系數隨著冷水流速的增大而增大.在3種熱水流量下,隨著管內冷水流速的增加,斷續螺旋折流板換熱器的總傳熱系數均比弓形折流板換熱器高得多.實驗結果表明,在熱水流量一定時,斷續螺旋折流板換熱器的總傳熱系數是弓形折流板換熱器的1.15~1 37倍.這說明在管殼式換熱器中,應用斷續螺旋折流板能顯著增強換熱.3.2 殼側阻力實驗結果及分析   換熱器殼側流動阻力實驗是在冷態條件下進行的,測點位于換熱器進出口接管上.圖5給出了2個管束殼側流動阻力與熱水流速的關系.由圖可見,隨著水流速的增大,斷續螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器殼側流動阻力均增加.在相同的熱水流速下,斷續螺旋折流板換熱器的阻力明顯大于弓形折流板換熱器的阻力.其原因可能是由于采用3個螺旋折流板支撐的結果.在斷續螺旋折流板換熱器殼側,水由螺旋流沖刷轉變為縱向流沖刷,之后又由縱向流沖刷轉變為螺旋流沖刷,水流方向的多次轉變造成了流動阻力的增加.在實驗范圍內,斷續螺旋折流板換熱器的殼側流動阻力為弓形折流板的3.25~3.67倍.4 結 論通過對比實驗研究可知,斷續螺旋折流板可使換熱器的換熱能力明顯增強,但阻力也增大.因此,為使其能在工程中得到應用,還應在減小流動阻力和結構優化方面做進一步深入的研究.參考文獻:[1]陳世醒,張克錚,張 強.螺旋折流板換熱器的開發與研究[J].撫順石油學院學報,1988,18(3):31-38.[2]LUTCHAJ,NEMCANSKYJ.Performanceimprovementoftubularheatexchangersbyhelicalbaffles[J].ChemicalEngineeringResearchandDesign,1990,68(3):263-270.
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