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橢圓管管殼式換熱器殼程傳熱性能的試驗研究

點擊:1472 日期:[ 2014-04-26 21:57:55 ]
                          橢圓管管殼式換熱器殼程傳熱性能的試驗研究                                    王玉琴  宋天民  張國福                         (遼寧石油化工大學機械工程學院,遼寧撫順 113001)     摘要:通過試驗方法對橢圓管換熱器與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 傳熱性能和壓降的研究,同時進行了殼程傳熱性能和壓降的對比。從試驗數據處理中得出,橢圓管 換熱器的傳熱系數雖然不高于采用圓管作為換熱管的螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器的傳 熱系數,但其單位壓降下的殼程傳熱系數卻遠遠高于螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器單位 壓降下的殼程傳熱系數。     關鍵詞:橢圓管;弓形折流板;螺旋折流板;傳熱系數     中圖分類號:TK172 文獻標識碼:A 文章編號:1001-4837(2008)10-0011-05     1 前言     隨著新型高效傳熱管的不斷出現,使得管殼式換熱器的應用范圍得以擴大。圓管換熱器是使用最普遍的一種傳統的管殼式換熱器,但現代工業設備 對熱負荷的要求越來越大,因此,強化傳熱技術在換熱器的研究中變得更加重要。在評價強化傳熱的效果時,需要考慮多種因素,例如:經濟性、安全性、制造、安裝、運行和維護的工藝技術及對材質的要求等。因此,評價一種強化傳熱技術的優劣,必須選擇合適的強化傳熱評價準則。單純地追求傳熱系數、平均溫差或傳熱面積的改善是不可取的,因為所采 取的強化傳熱措施往往使流動阻力增大,或其他方 面的消耗要求增高。從實際應用角度考慮,通常在 流動阻力相等的情況下比較傳熱系數,即比較α/ ΔP的大小。α/ΔP通常作為衡量換熱器殼程強化傳 熱效果的綜合性能評價指標,它表示在殼程消耗相同壓力降的條件下,所采用的強化傳熱技術所獲得的效益[1]。文中應用這一評價標準對橢圓管換熱器的傳熱效率進行研究。     2 橢圓管換熱器的結構分析     這種新型的管殼式換熱器是以傳統管殼式換熱 器為基礎,采用橢圓形管為換熱管,其他結構均采用 常規管殼式換熱器的零部件,管束中不設折流板,換 熱管外緣間隔采用折流圈起支撐作用。流體在橢圓 管換熱器管殼程運動時,由于殼程不采用折流板,其 殼程阻力較小,壓降減小,因此這種結構形式不是以 增加阻力作為代價來提高換熱器的傳熱性能,因此 在工程應用方面更有意義。同時在橢圓管換熱器殼 程內,橢圓管束換熱器不存在弓形折流板所出現的 死區問題,換熱管內不易結垢,具有長期的換熱效 益。在橢圓管換熱器結構中,取消了折流板,減小了 換熱器的體積和金屬耗量,降低了制造成本,制造工 藝也比較簡單,從而降低了能源消耗。     3 試驗     3.1 試驗主要設備及儀器     本次試驗采用殼體為:Φ0.25m(內徑)×3m, 4臺換熱器的管束均為兩管程。采用圓管作為換熱 管的管子規格:Φ0.025m×0.0025m×2.5m×40 根,有40°、25°有泄流槽螺旋折流板管殼式換熱器 和弓形折流板管殼式換熱器;橢圓管換熱管的管子 規格:0.02503m(長軸)×0.01021m(短軸) ×0.0025m×2.5m×40根。4臺換熱器管束中管 子排列方式都為正方形斜轉45°。試驗在換熱設備 綜合測試試驗臺上進行,主要測試儀表、設備為:     (1)測溫:數字溫度計,分度為0.01℃;     (2)量程:溫度測量范圍為0~50℃和0~100℃;     (3)測壓:壓力表和壓差計;     (4)流量計:LZB—50轉子流量計與LZJ—100 轉子流量計并接,量程為1~50m3/h;     (5)試驗設計:管程流體介質為熱水,流量值為 8m3/h;殼程流體介質為冷水,初定流量值為2m3/ h;管程流量不變;殼程流量按1m3/h遞增。整個測試包括殼程和管程的進出口溫度和壓力的記錄。     3.2 試驗流程     本裝置主要包括兩個回路、三個組成部分。兩 個回路:冷回路和熱回路,即換熱系統的管程和殼 程。管程介質為熱水,殼程介質為冷水,測試熱水與 冷水之間的換熱效率。三個組成部分包括:(1)熱 水的小儲罐及加熱部分;(2)冷水的大儲罐;(3)循 環動力系統。試驗流程如圖1所示。                      3.3 傳熱性能測試結果     3.3.1 測試數據     試驗時首先調節好流體的體積流量,當換熱器的傳熱和流動達到穩定之后,記錄所有數據,改變換熱器的工況,穩定后再記錄數據,如此重復,直到所 有工況試驗完畢。     3.3.2 數據處理[2~6]     根據現有數據及公式計算殼程傳熱系數。在換 熱器試驗測試中,當(Qh-Qc)/Qh<10%時,認為試 驗數據可靠,予以采用。     3.3.2.1 以圓形管作為換熱管的計算     以圓形管作為換熱管的計算殼程傳熱系數的步 驟如下:     (1)換熱器的總熱阻                                                  (3)繪制單位壓降下的殼程傳熱系數-殼程冷 水流量關系曲線,如圖4所示。                    4 結論     (1)在同一冷水流量和同一殼程的條件下,橢圓管換熱器的殼程傳熱系數低于螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器(見圖2)。例如,當殼程流量為9m3/h時,橢圓管換熱器的殼程傳熱系數比換熱效率較低的弓形旋折流板換熱器降低了15.6%。     (2)在同一冷水流量的試驗條件下,橢圓管換熱器的壓降小于螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器壓降,并且隨著冷水流量的增加,橢圓管換熱器的壓降低得越明顯(見圖3)。例如,當殼程流量為 9m3/h時,橢圓管換熱器的壓降比壓降較小的25° 有泄流槽螺旋折流板換熱器降低了47.1%。     (3)在相同殼程流量下比較殼程單位壓降下的傳熱系數,橢圓管遠遠高于螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器(見圖4)。例如,當殼程流量為9 m3/h時,橢圓管換熱器的單位壓降下的殼程傳熱系數比單位壓降下的傳熱系數較高的25°有泄流槽螺旋折流板換熱器提高了58.5%。     因此,應用綜合評價標準得出,橢圓管換熱器的傳熱性能比螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器的傳熱性能好。 參考文獻: [1] 張杏祥.螺旋扭曲扁管換熱器傳熱和流阻特性研究 [D].南京:南京工業大學,2006. [2] 茹卡烏斯卡斯AA.換熱器內的對流換熱[M].北京: 科學出版社,1986. [3] 秦叔經,葉文邦.換熱器[M].北京:化學工業出版社,2003. [4] 陶文銓.數值傳熱學(第二版)[M].西安:西安交通 大學出版社,2001. [5] 錢頌文.換熱器管束流體力學與傳熱[M].北京:中 國石化出版社,2002. [6] (美)肖佩(NicolasP.Chopey).朱開宏譯.化工計算 手冊[M].北京:中國石化出版社,2005. [7] 張杏祥,魏國紅,桑芝富.螺旋扭曲扁管換熱器傳熱 與流阻性能試驗研究[J].化學工程,2007,35(2):17 -20. 
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