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螺旋折流板換熱器簡介及相關尺寸的算法

發布時間:2011-10-25 瀏覽:4541

      管殼式換熱器的出現已有上百年的歷史,是應用最廣泛的單元設備之一,占我國全部換熱器產量的50%以上[1]。普通的管殼式換熱器采用 弓形折流板[2],折流板與換熱管垂直布置,存在流動死區,換熱效率難以提高;流體橫向掠過換熱 管,管束易發生振動,造成換熱管與管板連接處松 動或換熱管斷裂,導致換熱器失效,大直徑換熱器中的振動問題更為嚴重。20世紀60年代有學者提出了螺旋折流板的結構型式,但由于制造難度較大,一直未能實現工業化生產。1986年捷克科 學家獲得了螺旋折流板的專利, 1994年ABB公司實現了工業化制造[3],在歐美等西方國家得到了應用。20世紀90年代末,國內有單位取得了專利技術并在生產中獲得應用[4]。

        1 螺旋折流板換熱器的結構與分析

        1. 1 螺旋折流板的結構

        螺旋折流板換熱器的結構型式來源于輸送物 料的攪龍。最初的螺旋折流板為連續螺旋結構, 由于制造上難以實現,目前的螺旋折流板換熱器 都是采用斷續的近似螺旋結構,即采用若干塊四 分之一殼程橫截面的扇形板組裝成螺旋狀,每片 折流板與穿過其上的換熱管斜交。在螺旋折流板 換熱器內,介質自殼層進口向出口呈螺旋狀推進, 由此產生的離心力提高了流體的湍流程度,也避 免了大角度折返帶來的壓力損失。目前常用的螺 旋折流板帶有螺旋角α和后傾角β,其結構如圖1 所示。



        流體在殼程的流動不僅與螺旋角有關,而且 與螺旋板的具體尺寸有關?梢愿淖兟菪墙嵌 調整殼程的流通面積,可以采用一定的搭接量來 減小換熱管無支撐跨距以提高剛度,可以采用雙 螺旋或雙殼程結構來調整殼程的流體流動。明確 螺旋折流板尺寸對傳熱及阻力性能的影響,是研 究螺旋折流板換熱器的一個重要課題。

1. 2 螺旋折流板換熱器中流場間的相互作用

1. 2. 1 螺旋角對流場的影響[5]

        一般情況下,螺旋折流板換熱器殼程流體的 切向速度ut大于軸向速度uz,且α越小,ut越大。 脈動速度對α很敏感,α減小則脈動速度增大。α 減小,阻力降增加,但與弓形折流板換熱器相比, 阻力降要小很多。

1. 2. 2 流量對流場的影響[5]

        在α相同時,流量增大時流速沿徑向分布趨 于均勻,脈動速度增大,有利于傳熱。這是因為流 量增大時,層流邊界層變為湍流邊界層,分離點提 前,管束后產生大量漩渦,漩渦運動可增強液體徑 向混合,使速度沿徑向分布趨于均勻。

1. 3 螺旋流動對換熱的影響

(1)在螺旋流動中,切向速度產生作用在流 體上的離心力,流體外側壓力升高、內側壓力下 降,流體在壓差作用下從外側向內側流動,同時中 心的流體出現回流,造成二次流[5]。螺旋流和二 次流迭加,使湍流程度大幅提高,并使湍流程度在 徑向均勻化,從而強化傳熱。

(2)螺旋流動的流體斜向沖刷管束,在傾斜 和旋轉的雙重作用下,使速度邊界層變得很薄,傳 熱系數得到大幅提高。

1. 4 螺旋折流板換熱器的特點

        與傳統弓形折流板換熱器相比,螺旋折流板 換熱器具有如下優點。

(1)殼程流體呈螺旋狀流動,流體湍流程度 加劇,層流底層厚度減薄,利于提高傳熱系數。據 國外文獻報道,與弓形板相比,螺旋折流板單位壓 降下的殼程膜傳熱系數可提高1. 8~2. 0倍,因此 在相同熱負荷下可減小換熱器的尺寸。

(2)殼程介質的螺旋流動使其阻力降明顯降 低,與單弓板相比,相同流量條件下可減少阻力降 約45%。

(3)殼程無滯流區和死區,無污垢沉積,可延 長設備檢修周期。

(4)更適用于粘稠介質和結垢嚴重的介質。

(5)有效防止了流體誘導振動的發生,適用 于流量波動較大和汽液兩相的工況。

        螺旋折流板換熱器也有一定的缺點,其螺旋 板管孔和定距管的加工較困難,需要專用胎具,管 束組裝難度較大,造價高于弓形板換熱器。

2 螺旋折流板換熱器的研究

        螺旋折流板換熱器的研究主要集中在殼程側 流體力學研究,通過對殼程側傳熱和阻力降的研 究,選取合適的螺旋角來滿足工程上的需要。國 外的研究機構主要有美國的傳熱研究協會 (HTRI)和英國的傳熱及流體流動研究中心。

        國內西安交通大學是研究較早的單位,并且 獲得了多項專利。鄧斌等采用多孔介質和分布阻 力模型階梯逼近技術對換熱器殼程側的層流流動 進行了數字模擬[6],表明殼側流體呈螺旋形流動 并與相應的換熱器冷態試驗進行了對比研究。王 秋旺等通過試驗對換熱器進行了換熱及阻力性能 研究[7],發現在4管程換熱器中使用假管會使換 熱效率降低、阻力增加;在相同雷諾數時,無中心 管的傳熱效率比有中心管的高30%;在相同的殼 側流量下,殼程側傳熱系數隨螺旋角增大而減小。 王良等對螺旋角為10°和15°的換熱器進行了換 熱與阻力性能試驗[8]。

        華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重 點實驗室在強化傳熱和新型殼程強化傳熱技術方 面做了大量研究工作,率先在螺旋折流板換熱器 中采用低翅片管[9]。南京工業大學張少維等對 折流板間距對換熱器性能的影響進行了數值研 究[10]。撫順石油學院的研究人員采用有機玻璃 制作了螺旋折流板換熱器的模型,用激光測速儀 詳細測量了流場的特性,研究了旋流角對速度分 布和脈動速度的影響及流量的耦合關系,發現不 同的螺旋角和布置方式都會影響流體的速度分 布,也會影響換熱效果。彭杰等對螺旋折流板搭 接量進行了研究,結果表明:搭接布置有利于降低 壓降,但不利于傳熱。

3 結構設計相關尺寸的計算

        目前常用的螺旋折流板為帶有螺旋角α和 后傾角β的折流板,如圖2所示。通常情況下,由 4塊螺旋折流板交錯搭接形成一個螺距。α為折 流板所在平面與管板所在平面的夾角,β為帶有 螺旋角α的折流板向流體流動方向(軸向)后傾 的角度。將螺旋折流板的邊長跨過設備中線重疊 一部分,這樣可有效減少折流板間的漏流,一般重 疊2排左右的管子。



        折流板投影圖和主視圖如圖3所示。圖3左 側是折流板在設備管板截面上的投影圖,為1/4 圓形;右側為折流板的主視圖,為近似扇形。相關 尺寸的算法如下。



3. 1 螺旋折流板邊長、夾角及傾角的計算 如圖2所示,OO′為設備軸線,AA″在設備軸 線上,BA′D″的粗實線部分為折流板實際空間位 置。由圖2可看出,α和β不等時折流板的兩個 邊長不等,這樣會給生產中的下料帶來很大困難, 所以實際設計中盡量使兩個角度相等,下面的計 算均基于兩個角度相等進行。

3. 1. 1 邊長計算

        圖3中OD為折流板在管板截面投影的中心 線,OD′為折流板主視圖的中心線,從圖2可看出 兩個長度相等且相當于單弓板設備的折流板半 徑。

        結合圖2和圖3可得:

        R=AB=AD

        由圖2可得出:

        R′=BA′=A′D″=R /cosα

        帶有螺旋角和后傾角的螺旋折流板,當兩個 角度相等時,其實際形狀(圖3)為兩個邊長為 R′、中心線長度為R、夾角為θ的近似扇形,關于 中心線對稱。

3. 1. 2 夾角θ計算

 



        定距管是一個回轉體,其端面要與折流板端 面貼合,所以定距管的端面傾角等于折流板傾角 γ,如圖4所示。



3. 4 定距管長度計算

        折流板布置簡圖如圖5所示。在施工圖中應 給出第1塊折流板在設備軸線上的中心點內側 (不包含壁厚)距管板內側的距離。



        拉桿的布置見圖3。每塊折流板的拉桿數為 偶數時,應相對于折流板的旋轉軸對稱布置;拉桿 數為奇數時,應將1根拉桿布置在旋轉軸上,其余 相對于旋轉軸對稱布置,盡量減少定距管的種類。 先在管板的布管圖上確定拉桿的位置,以管 板內側面中心點為坐標原點給出所有拉桿中心的 坐標值。

3. 4. 1 相鄰2塊折流板之間的定距管長度(軸線 長度)

        相鄰2塊螺旋折流板之間的定距管的兩個端 面均為斜面,其軸線長度計算如下:



3. 4. 2 前4塊折流板到管板內側面的定距管長 度(軸線長度)

        組成第1個螺旋的4塊折流板與管板之間的 定距管靠近管板側為平面,靠近折流板側為斜面, 其傾角為γ。

        拉桿在管板上的投影圖如圖6所示。設第1塊 折流板在管板上的投影為圖6中的第1象限,則 L11處的定距管最短,沿順時針方向定距管長度依 次遞增,L44處的定距管最長。第1象限4根拉桿 中心點的坐標值分別為L11(x1,y1),L12(x2,y2), L13(x3,y3)和L14(x4,y4)。

        第1塊折流板上的4根定距管按長度由小到 大的順序如下:



        第2塊折流板上的4根定距管與第1塊上的



        階段,試驗用模型尺寸太小,研究的結果還達不到 工業實踐應用的要求,應該走產學研相結合的路 線,在企業投運的裝置上獲取實際運行數據,建立 傳熱和流動的數學模型,開發通用的傳熱計算軟 件,盡快實現標準化設計。目前各企業已經認識 到了螺旋折流板換熱器的優越性能,愿意在裝置 中采用,但限于機械制造技術一直難以大批量生 產。采用先進的制造技術和改造數控機床,解決 折流板加工和管束組裝難題、提高生產效率、加快 螺旋折流板換熱器的推廣應用,是迫切需要解決 的問題。

參考文獻

[1] 王秋旺,羅來勤,曾敏.交錯螺旋折流板管殼式換熱器殼側 傳熱與阻力性能[J].化工學報, 2005(4).

[2] 國家質量技術監督局.GB151—1999管殼式換熱器. 1999.

[3] 曹緯.國外新型換熱器介紹[J].化學工程, 2000(6).

[4] 王正方,王勇,曲大偉.螺旋折流板換熱器的研究與制造 [G].全國化工熱交換器技術與設備交流會論文集. 2008.

[5] 潘振,陳寶東,商艷麗.螺旋折流板換熱器的研究與進展 [J].節能技術, 2006(1).

[6] 鄧斌,吳揚,陶文銓.螺旋折流板換熱器殼側流動的數字模 擬[G] //中國工程熱物理學會. 2003年學術會議論文集. 2003.

[7] 王秋旺,羅來勤,曾敏.交錯折流板換熱器傳熱與阻力性能 的實驗研究[G] //中國工程熱物理學會. 2003年學術會議 論文集. 2003.

[8] 王良,羅來勤,王秋旺.螺旋折流板換熱器中阻流板對換熱 及沿程壓降的影響[G] //中國工程熱物理學會. 2003年學 術會議論文集. 2003.

[9] 朱冬生,蔣翔,陸應生.螺旋折流板低翅片管油換熱器應用 研究[G]. 2004年全國化工石化裝備國產化技術交流會論 文集. 2004.

[10] 張少維,周榮蘭,桑芝富.折流板間距對換熱器性能影響的 數值研究[J].南京工業大學學報, 2005(3). 

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