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扭曲管雙殼程換熱器的研究及性能分析

點擊:1486 日期:[ 2014-04-26 21:08:06 ]
                   扭曲管雙殼程換熱器的研究及性能分析                           宋丹,蹇江海,張迎愷                  (中國石化工程建設有限公司,北京100101)     摘要:介紹了扭曲管換熱器的特殊結構以及與普通換熱器的區別,得出了扭曲管換熱器相比于普通換熱器的優點;深入分析了扭曲管換熱器的綜合性能,并對影響其綜合性能的各種因素進行了討論,重點討論了扭曲管換熱器管內及管外的壓降和傳熱系數;對扭曲管換熱器的進一步研究進行了展望。關鍵詞:螺旋扭曲扁管 換熱器 雙殼程 影響因素在煉油、化工裝置中,換熱器占靜設備總數量的40%左右,占總投資的30%~45%[1]。隨著科學技術的發展和能源匱乏問題的日益突出,對換熱器的設計要求越來越高,不但要求盡可能的回收熱量,而且要具備緊湊、高效、材料節省、價格便宜、安全可靠等性能。     目前,煉油和化工裝置中所采用的換熱器80%為傳統的弓形折流板光管換熱器,而弓形折流板換熱器存在傳熱“死區”、易結垢、殼程壓降大,以及發生流體誘導振動等缺點[2],為了克服這些缺點,中國石化工程建設有限公司與華東理工大學合作研制了一種新型的高效換熱器———扭曲管雙殼程換熱器。     1·扭曲管雙殼程換熱器與傳統換熱器的對比     1.1傳統換熱器     傳統的弓形折流板管殼式換熱器采用光滑圓管作為傳熱元件,管間采用折流板支撐(見圖1和圖2)。盡管折流板換熱器具有安裝方便、運行可靠等優點,但其缺點也是顯而易見的。          由于折流板的存在,殼程流體在流動過程中流動方向不斷改變,呈”Z”字形流動,因而具有較大的殼程阻力;在折流板與殼體鄰近部位容易產生流動“死區”,減少了有效換熱面積,并且由于流動“死區”造成換熱負荷分布不均勻,導致局部過熱。此外,由于殼程流體對管束的橫向沖刷,容易造成管束的誘導振動,導致換熱管與管板連接處斷裂。     1.2扭曲管雙殼程換熱器     扭曲管雙殼程換熱器結構見圖3。在繼承了傳統管殼式換熱器結構強度高、適應性廣、運行可靠等優點的前提下,扭曲管雙殼程換熱器克服了傳統的單弓型折流板管殼式換熱器的缺點。                 扭曲管是一種高效的強化傳熱管型,瑞典Alards公司于1984年研制成功后,美國BrownFintube公司又進一步改進,并將扭曲管換熱器成功應用于石油煉制行業。該公司的螺旋扭曲扁管的自支撐結構見圖4。                  扭曲管換熱器用扭曲管代替了普通的光管。扭曲管是由普通直圓管通過壓扁扭曲制成,成形管子見圖5。為了便于管子與管板連接,扭曲管兩端保持為圓形,管束中不設折流板,換熱管外緣保持螺旋線緊密接觸,起到相互支撐作用,并在換熱管間形成螺旋形流道。殼程流體在流道中主要作縱向流動,殼程流體通道橫截面沿管束縱向周期性地發生變化,使殼程流體在沿螺旋扭曲的換熱管外壁縱向流動的同時,產生復雜的以旋轉和周期性的物流分離與混合為主要特點的強擾動[3];扭曲管管內螺旋橢圓形流道使管程流體產生以縱向旋轉和二次旋流為特點的擾流效應。這種結構使管程流體和殼程流體均產生以旋轉為主要特征的復雜流動,獲得較強的旋轉擾動,從而較大程度地強化了傳熱過程。殼程沒有任何支撐檔板,僅靠管子之間的相互接觸來支撐,殼程不存在流動“死區”,減少了積垢的可能性,流體縱向流動使得殼程的流動阻力減小[4]。                  與傳統圓管換熱器相比,扭曲管換熱器具有傳熱系數高、壓降小、無振動、不宜結垢、無折流板等一系列特點,兼有高效、高緊湊的優勢。     2·傳熱及壓降研究     2.1扭曲管管內傳熱系數的分析     管內流體在橢圓螺旋扭曲管內流動方向不斷改變,因而強化了管內流體的對流傳熱,同時,由于流動方向的改變是連續而平緩的,與圓管相比,其流動阻力并不會增大太多,遠遠小于縮放管等強化傳熱管,尤其適用于低雷諾數(<0.1)或高粘度流體(如重油、潤滑油等)的強化傳熱,在管內層流條件下,采用橢圓螺旋扭曲管可提高管內對流傳熱系數2~3倍[5]。     以扭距為230 mm的扭曲管為例進行實驗室測試,圖6為扭距230 mm管Nu實測值與擬合曲線。                  根據實驗數據得到扭曲管管內傳熱的半經驗公式為:                  通過以上測試及分析可知,在扭曲管內,流體很容易進入湍流狀態,具有明顯的強化傳熱作用。與光滑圓管相比,Nu數可提高40%。但在對流傳熱系數提高的同時,流動阻力也相應地增大。工程應用時應綜合考慮傳熱與壓降的關系,當壓降太大時,可以減少管程數,以獲得較高的經濟效益。     2.2扭曲管管外傳熱及壓降分析     扭曲管管束多點自支撐結構見圖4,管束在橢圓長軸旋轉到特定位置時發生接觸,互相支撐,去掉了折流板,殼程流體以螺旋形式旋轉著沿換熱管縱向流動,避免了橫向沖刷,減小了殼程流動阻力,殼程流動阻力可下降到折流板換熱器的30%以下,適用于對殼程流動阻力有較嚴格要求的場合。     為了測試扭曲管換熱器管外的換熱以及壓降性能,以水作為試驗介質。管外換熱介質為熱水,管內換熱介質為冷水,實驗過程中通過控制殼程、換熱介質流量得到不同流速下殼程流體的換熱性能數據。通過實驗室分析得到扭曲管換熱器Nu數及壓降趨勢,見圖7和圖8。                  通過對實驗數據處理,結合理論分析得到扭曲管換熱器殼程膜傳熱及壓降半經驗公式為:                  2.3管內流動阻力的對比分析     為了更明確表示扭曲管的壓降變化,圖9給出了在流速0.5~2.5 m/s范圍內,與普通圓管的流速-壓降擬合對比曲線。由圖9可見,在低流速下,扭曲管與圓管的阻力降十分接近,沒有明顯差別。但隨著Re數增大,壓降差別逐漸明顯,扭曲管壓降增速明顯高于光管。這是因為流體在扭曲管內向前流動的同時還在進行著螺旋狀旋流,流動方向不斷改變。                   3·結語     通過理論分析及實驗驗證可以看出,扭曲管換熱器可以實現管內、管外雙面強化的效果,是一種具有傳熱效率高、結構緊湊、殼程流動阻力小、抗結垢以及能夠克服誘導振動等優點的換熱器。同時采用雙殼程結構又實現了管內、外的純逆流換熱,尤其適用于小溫差工況及冷熱流溫度交叉的工況。     目前,該研究項目已經完成了在高橋石化加氫裝置上的工業試驗,并取得了專利授權(ZL200820012364.1)。工程設計中靈活運用雙殼程與扭曲管的結合,適用工況將更廣泛。由于殼程流體的流動方向平行于管束,消除了橫向沖刷引起的管束誘導振動,大大延長了管束的使用壽命。雙殼程扭曲管換熱器具有廣闊的應用前景。 參考文獻: [1]秦叔經,葉文邦,等.化工設備設計全書[M].北京:化學工業出版社,2003:1-3. [2]朱冬生,錢頌文.強化傳熱技術及其設計應用[J].化工裝備技術,2000,21(6):1-9. [3]錢頌文,江楠,等.換熱器管束流體力學與傳熱[M].北京:中國石化出版社,2002:10-15. [4]張銀瀟,李科群,吳輝,等.螺旋橢圓扭曲管換熱器與流阻特性的數值模擬[J].能源技術,2010,31(6):315-321. [5]梁龍虎.螺旋扁管換熱器的性能及工業應用研究[J].煉油設計,2001,31(8):28-33.
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