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螺旋隔板換熱器的研究及其工業應用點擊：2096 日期：[ 2014-04-26 22:06:12 ] |
| 螺旋隔板換熱器的研究及其工業應用 劉曉紅 (廣州航海高等?？茖W校,廣東 廣州 510725) 摘要：螺旋隔板換熱器主要包括兩種不同類型的結構形式,即沒有中心管的非整體連續的螺旋隔板換熱器和有中心管的整體連續的螺旋隔板換熱器。本文總結了國內外學者對螺旋隔板換熱器所做的主要研究工作,這包括殼程流體的動力學研究、傳熱與壓降性能研究和數值模擬,并介紹了整體連續型螺旋隔板強化管換熱器在工業中的應用。最后,對螺旋隔板換熱器的下一步研究工作進行了展望。 關鍵詞:殼管式換熱器;螺旋隔板;傳熱強化 中圖分類號:TK124 文獻標識碼:A 文章編號:1002-6339 (2008) 04-0347-02 殼管式換熱器是廣泛應用于化工、石化、動力、制冷等領域的重要熱能交換設備。在歐洲,殼管式換熱器占市場分額的42%。目前國內殼管式換熱器主要還是采用弓型隔板作為管間的支撐結構,在這種結構的換熱器中,流體在殼程呈“Z”形流動,在隔板和殼體內壁相連處存在流動死區;流體在隔板間分離引起動量的急劇變化而造成壓力的嚴重損失;在隔板與殼體和傳熱管與隔板之間存在旁路流和泄漏流,降低了流體的有效質量流量,這些缺點導致了殼管式換熱器傳熱系數低、壓降高。隨著金屬材料價格的不斷增長和節能工作的迫切需求,促進了高效殼管式換熱器的研究和應用。近年來,螺旋隔板換熱器作為一種新型的殼管式換熱器形式,受到國內外學者的廣泛關注,并在工業中推廣應用,取得了很好的節能、節材經濟效益。 1 螺旋隔板換熱器的結構形式 從結構上看螺旋隔板換熱器主要包括兩大類:一類是沒有中心管,隔板為非整體連續的螺旋結構(圖1)。這種結構的螺旋隔板換熱器是上世紀90年代初由捷克共和國發明,隨后在ABB公司進行了產業化〔1〕。其設計形式是:每個隔板占據四分之一的殼體橫截面,并與換熱器的軸向呈一定角度排列,相鄰的隔板在邊緣接觸并在外圍形成連續的螺旋狀結構,流體在殼程呈螺旋流動。另一類是設有一根中心管,隔板為整體連續的螺旋結構(圖2)。其設計形式是隔板圍繞中心管螺旋纏繞,形成一種整體連續的螺旋隔板結構。這種結構形式的螺旋隔板換熱器。從目前的文獻來看,文獻中報道最多的是沒有中心管的螺旋隔板換熱器。 圖1無中心管非整體連續螺旋隔板換熱器 圖2有中心管整體連續螺旋隔板換熱器 2 螺旋隔板換熱器的研究現狀 螺旋隔板換熱器的研究工作主要包括如下幾方面:殼程流體動力學研究、傳熱及壓降性能研究、殼程數值模擬。 2·1 殼程流體動力學研究 D·Kral等人〔2〕采用刺激-響應技術(stimulus-response techniques)對玻璃模型螺旋隔板換熱器的殼程流動特性進行了實驗研究,流體動力學研究結果表明,流體在殼程的螺旋流動類似于塞狀流(plugflow),幾乎沒有返混和流動死區。 Wang Shuli〔3〕采用激光多普勒測速儀(LaserDoppler Anemometry)對有機玻璃模型螺旋隔板換熱器的殼程流場進行了測量,研究了螺旋角和流速的大小對速度分布和脈沖速度的影響。結果表明,隨著螺旋角的減少,線速度和脈沖速度降增大,促進了傳熱,但壓降也增大?？傮w來看,最佳的螺旋角與殼程流體的雷諾數有關2·2 傳熱與壓降性能研究D·Kral等人〔2〕以水-水換熱為對象,研究了螺 旋角的大小對傳熱性能的影響,螺旋角的變化范圍為17°~44°。結果表明,在相同的殼程壓降下,螺旋角為40°時殼程的傳熱系數最高。作者認為,在螺旋角約為40°時,邊界層流體近乎充分發展。蔡志剛等人〔4〕以5#柴油-水換熱為對象,比較了螺旋隔板和弓型隔板換熱器的傳熱與壓降性能,結果表明,螺旋隔板換熱器的阻力只有弓型隔板換熱器的30%。此外,在相同壓降下,螺旋隔板換熱器的傳熱效率提高了10%。 以上學者研究的傳熱管均為光滑管,為進一步提高螺旋隔板換熱器的傳熱性能,本實驗室先后開展了螺旋隔板與強化管搭配進行傳熱強化研究。趙曉曦等人〔5〕以柴油-水換熱為對象,研究了以菱型翅片管作為強化傳熱管型的螺旋隔板換熱器的傳熱與壓降性能,并與光滑管進行了對比,其所采用的隔板為整體連續的螺旋隔板結構。實驗結果表明,在相同流速下,螺旋隔板菱型翅片管換熱器的殼程傳熱系數比螺旋隔板光滑管換熱器提高了54%~108%,而流動阻力系數降低了5%~30%。張正國等人〔6〕以潤滑油-水換熱為對象,比較了螺旋流條件下三維花瓣型翅片管與二維低翅片管的傳熱與壓降性能,所采用的隔板也是整體連續的螺旋隔板結構。實驗結果表明,在相同的潤滑油體積流量下,螺旋隔板三維花瓣型翅片管換熱器的殼程傳熱系數比螺旋隔板二維低翅片管換熱器提高了28%~48%,而壓降卻降低了35%~75%。 2·3 殼程數值模擬 Andrews和Master〔7〕采用三維計算流體力學(CFD)方法對ABB公司制造的螺旋隔板換熱器進行了性能分析,研究了螺旋角分別為10°、25°、40°條件下螺旋隔板換熱器的殼程流動與壓降性能。結果表明,隨著螺旋角的增大,流體更接近于塞狀流,模擬的壓降與ABB公司螺旋隔板換熱器的傳熱關系式計算結果較吻合。 鄧斌等人〔8〕采用多孔介質、分布阻力模型、階梯逼近技術對螺旋隔板換熱器殼程的流動進行了三維數值模擬,結果表明,在相同的進口內徑和進口流量條件下,螺旋隔板換熱器的殼側壓降明顯低于弓型隔板換熱器,計算所得的進出口總壓降與實驗值之間的偏差大部分在14%以下。 張少維等人〔9〕采用計算流體動力學分析方法建立了螺旋隔板換熱器的數學模型,并利用CFD分析軟件Fluent模擬換熱器殼程的流動特性,得到了換熱器殼程的流場分布,并與弓型隔板換熱器殼程的流動特性進行了對比。 李大為等人〔10〕以水-水換熱器為對象,利用Fluent軟件,對螺旋隔板換熱器三維實體內的流體流動和傳熱進行了數值模擬,重點研究了湍流條件下換熱器殼程流體入口的壓降以及不同結構對壓降的影響,并提出了入口結構的改進方法。 3 螺旋隔板換熱器的工業應用 某化工公司原異已烷油冷卻器是由兩臺弓型隔板光滑管換熱器串連使用,在空間位置上重疊布置,總換熱器面積為20 m2。每臺冷卻器的主要參數為:殼體直徑DN=325 mm,換熱管為Φ19×2·0 mm的碳鋼光滑管,換熱管長3 000 mm。當異已烷油產量從7 000 t/年擴產到10 000 t/年時,冷卻器的熱負荷為240 kW。夏季冷卻水進口水溫為33℃,殼程進口油溫為160℃時,出口油溫在52℃以上,已不能滿足出口油溫40℃左右進入儲罐的工藝要求。 因此,需對原冷卻器進行重新設計,用一臺整體螺旋隔板低翅片管冷卻器取代原二臺串聯冷卻器。該冷卻器的殼體直徑為377 mm,兩管程結構。低翅片管采用Φ19×2·0 mm的碳鋼光滑管進行加工,光管的總換熱面積為19 m2。整體螺旋隔板的結構采用圖2所示,螺旋隔板的中心管外徑為108 mm,低翅片管的照片見圖3。從空間尺寸來看,一臺377 mm直徑的冷卻器比兩臺325 mm直徑的冷卻器明顯減少。 圖3低翅片管 該臺異己烷油冷卻器于2005年5月開始投入運行至今,由于產能的擴大,熱負荷值為240 kW,在此熱負荷條件下,異己烷油的入口溫度為160℃時,測得異己烷油的出口溫度為40℃左右,達到工藝要求。 通過對改造前后兩臺油冷卻器的總傳熱系數進行計算可知,弓型隔板光滑管冷卻器的總傳熱系數為250 W/(m2·K),而螺旋隔板低翅片管冷卻器的總傳熱系數為410 W/(m2·K),總傳熱系數是弓型隔板光滑管油冷卻器的1·64倍。 4 結語 通過螺旋隔板換熱器在工業中的實際應用,證明其具有高效的傳熱性能。未來的重點應是針對不同傳熱介質,研究螺旋隔板與不同類型強化管之間的合理搭配,以充分發揮螺旋流動與強化管的協同強化傳熱效果,進一步提高螺旋隔板換熱器的綜合性能。通過實驗及理論研究,并結合數值模擬,揭示螺旋隔板強化管換熱器的傳熱強化機理,獲得傳熱與壓降的關系式,用以指導工業設計。 參考文獻 〔1〕Lutcha J, Nemcansky J〔J〕·Trans·IChemE,1990,68:263-270· 〔2〕Kral D, Stehlik P Van Der Ploeg, H J,et al·〔J〕·Heat Transfer Engineering, 1996,17(1):93-101· 〔3〕Wang Shuli·〔J〕·Heat Transfer Engineering, 2002, 23(3):93-101· 〔4〕蔡志剛,張國福,宋天民·〔J〕·化學工程,2006,34(4) 13-15· 〔5〕趙曉曦,鄧先和,陸恩錫·〔J〕·化工學報,2003,54(3):388-391· 〔6〕Zhang Z G, Fang X M·〔J〕·Heat Transfer Engineering,2006, 27(7):1-7· 〔7〕Andrews M J, Master B I·〔J〕·Heat Transfer Engineer-ing, 2005, 26(6):22-31· 〔8〕鄧斌,吳揚,陶文銓·〔J〕·西安交通大學學報,2004,38(11):1106-1109· 〔9〕張少維,桑芝富·〔J〕·南京工業大學學報,2004,26(2):81-84· 〔10〕李大為,沈人杰,高曉東,等·〔J〕·高?；瘜W工程學報,2005,19(5):699-702· |
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