對螺旋折流板換熱器和傳統的弓形折流板換熱器進行了殼程傳熱性能和殼程的阻力的對比,同時通過實驗方法對30°、40°螺旋角的螺旋折流板換熱器進行了殼程傳熱性能和殼程阻力的研究,得出螺旋折流板換熱器的螺旋流動強化了傳熱,螺旋折流板換熱器的殼程阻力比弓形折流板換熱器的小。

關鍵詞：弓形折流板　螺旋折流板　螺旋流　傳熱系數

目前,我國石化、電力等行業工藝流程中應用的冷換設備多數為管殼式換熱器,在各種換熱設備中占據著主導地位。由于在役的管殼式換熱器大多為傳統的垂直弓板換熱器,換熱效率比較低,因此,提高設備的換熱效率、降低壓力降成為冷換設備技術進步面臨的主要問題。

為了提高換熱效率,人們在應用強化異形管上做了很多嘗試。異形管確實起到了改善管內流體流動形態、提高膜傳熱系數的效果,但由于總的傳熱系數是由于管內膜傳熱系數、管外膜傳熱系數、管壁導熱系數及污垢熱阻等因素組成,當影響管外膜傳熱系數熱阻成為控制熱阻時,僅改善管內傳熱條件是沒有多大意義的。只有同時減少管外熱阻、提高管外膜傳熱系數,才能真正提高整臺換熱器的換熱效率。為此,美國菲力浦公司首先推出了折流桿列式換熱器。折流桿折流結構突破了垂直弓板折流結構導致的介質橫向流流動方式,采用縱向流流動方式,降低了壓力降,而且由于折流桿的插入,流體形成卡門渦街,增加了介質擾動形成紊流,提高了殼程的膜系數。但是折流桿換熱器有一定的局限性,即當殼程介質粘度較大時無法形成渦街。殼程流體被限制在流層狀態,膜傳熱系數顯著降低,因此,在原油換熱、渣油換熱等系統不適合用這種換熱器。

1 弓形折流板與螺旋折流板換熱器的比較

弓型折流板換熱器中,弓型折流板使流體橫向沖刷管束,提高了殼側流體的換熱能力,但是,由于流體在接近殼體壁面處的突然轉向使能量損耗迅速增大,造成殼側的沿程壓力降的增大,另外,由于折流板與殼體之間的旁流和換熱管與折流板之間漏流及死區的存在(如圖1),使其殼側流動特性的缺點十分明顯。螺旋折流板換熱器正是針對弓型折流板換熱器殼側流動的缺點提出的,通過改變殼側折流板的布置,使殼側流體呈連續的螺旋狀流動。因此,理想的折流板布置應該為連續的螺旋曲面。但是,螺旋曲面加工比較困難,而且換熱管與折流板的配合也比較難實現。考慮到加工上的方便,采用一系列的扇形平面板(稱之為螺旋折流板)替代區面相間連接,在殼側形成近似螺旋面,使殼側流體產生近似連續螺旋狀流動。在螺旋折流板換熱器中(如圖2),流體在殼側的流動方向是連續變化的。不存在突然轉向的流動,極大的降低了流動阻力。流體與換熱管有一螺旋傾角,流體螺旋狀的繞過換熱管束,不僅流動阻力小,而且不存在滯死區,流動特性的優點是顯而易見的。

2 試驗

2.1　試驗主要設備及儀器

本次實驗對殼層直徑為φ273mm×3mm,2臺換熱器芯組都是44根兩管程長2498mm,φ19mm×2.0mm換熱管排成,30°、40°螺旋角的螺旋折流板換熱器芯組進行傳熱性能及壓降的研究。試驗在我校的換熱性能綜合測試實驗臺上進行,主要測試儀表、設備為:

測溫:精密溫度計,分度0 1℃,量程0～50℃和0～100℃;

測壓:U型管壓差計;

流量計:LZB一100轉子流量計并聯,量程8～50m3/h;

因為油的粘度較大,本試驗設計為:管程走水ρ=998.2kg/m3,流量定值為18m3/h:殼程走油,密度ρ=836kg/m3。

2.2　實驗流程

本裝置主要包括兩個回路、四個部分。兩個回路為:換熱系統的管程部分和殼程部分。冷流體走殼程,熱流體走管程。實驗時分別測試水水換熱和水油換熱兩組實驗。水,四個部分包括:①冷水的儲罐;②熱水的儲罐及加熱系統;③熱油的儲罐及加熱部分;④循環動力系統。

1.換熱器;2.熱油儲罐;3.熱水儲罐;4.冷水儲罐;5.截止閥;6.流量計;7.壓力表;8.泵

(1)螺旋折流板列管式換熱器改變了傳統垂直弓板多次180度折返橫向流流動方式,減少了窗口區流體大角度折返的壓頭損失,為介質提高流速提供了可能性,提高了流速就是提高了雷諾數,因此可以大幅度提高膜的傳熱系數。

(2)螺旋折流板列管式換熱器殼程介質的螺旋折流方式,使得殼程的橫截面出現一個速度梯度場。這個速度梯度場使每一根換熱管都處于換熱介質漩渦中,此漩渦使換熱管變面層減薄,降低了熱阻,而螺旋傾角在25°～40°區間換熱效果最好。

(3)螺旋折流板列管使換熱器平穩的螺旋流動方式,改善了傳統垂直弓板橫向折返流造成的折流板后患熱面積2/5左右的三角死區弊端,增加了有效換熱面積,提高了整體換熱效果。

(4)實踐證明,換熱介質粘度較大時,污垢熱阻占總熱阻的50%～70%。螺旋通道內高速旋轉的介質流有利于沖刷走殼程內的顆粒及沉淀物,消除結構嚴重的三角死區,可顯逐漸的熱阻,這對于提高熱效率是極為有利的。

(5)垂直弓板折流列管式換熱器的振動損傷,是換熱器場周期運行的一個重要問題。窗口區兩倍于正常折流艱巨的支撐長度,是造成管子振動的主要原因。螺旋折流板列管式換熟器通過選擇合適的角度得到均一的、避開了管自激振頻率的支撐長度,從而解決了管束振動損傷問題。(6)在獲得相同的殼側換熱系數條件下,螺旋折流板換熱器的殼程阻力小于弓形折流板換熱器,同時其流量大于弓形折流板的流量。

4 小結

綜上所述,螺旋折流板換熱器在綜合性能方面顯示出了其優越性:

(1)螺旋折流板換熱器的螺旋流動強化了傳熱;相同條件下,螺旋折流板的傳熱系數近似為弓形折流板的傳熱系數的1 9倍,可見螺旋折流板比弓形折流板換熱效果好。

(2)相同條件下,螺旋折流板換熱器比弓形折流板換熱器的壓降小很多。

(3)只要設計合理,會使流動完全沿著螺旋折流板方向流動,沒有死區。

(4)螺旋折流板換熱器,對于低粘度流體、高粘度流體及流體有無相變等情況均適用,尤其是對于高粘度流體,效果更為突出