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波紋管換熱器技術性能強化分析及在電力供熱的應用

點擊:1381 日期:[ 2014-04-26 22:05:47 ]
                 波紋管換熱器技術性能強化分析及其在電力供熱領域的應用                                        吳守杰                       [中國有色(沈陽)冶金機械有限公司,遼寧沈陽110141] 摘要:本文闡述了波紋管換熱器強化傳熱機理理論,論述了與傳統殼管式換熱器各項技術性能和綜合經濟指標的比較,分析了熱交換設備的必然發展趨勢和不斷技術創新的必要性。 關鍵詞:湍流;邊界層;強化傳熱;波紋換熱管;傳熱系數 中圖分類號:TF066 文獻標識碼:B 1 前 言 波紋管換熱器是應用強化傳熱原理和優化換熱 管綜合性能而推出的新型高效傳熱熱交換設備。是 一種高新技術的強化傳熱節能型新產品。本高新技 術的推出形成了一整套強化傳熱機理理論,有傳統 殼管式換熱器不可比擬的性能優勢,同時促進并實 現了換熱設備的更新,它是以薄壁不銹鋼等金屬材 料的波紋換熱管束代替直管換熱管束,修正內部結 構,依據壓力容器等相關國家專業標準設計研制而 成,本產品已經在電力供熱領域,石化工業等行業得 到了成熟的應用和推廣。 2 技術分析 由傳熱基本方程:Q=K·A·△t(1) 可知:增大傳熱溫差△t、增加傳熱面積A、提高 傳熱系數K是換熱器強化傳熱的三種途徑。 傳熱溫差主要決定于冷、熱兩種介質的溫度條 件,若系統情況允許應盡量選擇逆流,但一般已經為 生產操作條件所確定;本產品換熱管代替原等直徑 光管.在保證管束排列的基礎上不僅增加了傳熱面 積.更主要的是激發流體湍流的流動效果;提高傳熱 系數是本產品強化傳熱的重點,它對傳熱效率和綜 合經濟效益起著關健性作用。 2.1 介質流動狀態的強化 殼管式換熱器的換熱管均為平滑壁面的直管, 由于管內流體與壁面的粘接(粘性)作用,在流體與 壁面的接觸處形成具有層(滯)流狀態的邊界層。當 流體進入直管初始時流速均勻,雖著介質的流動邊 界層厚度δ增加且邊界層內流速逐漸減小直至為 零,同時雖著邊界層厚度的逐漸增加管中心部位的軸向流速也逐漸增大(x0段),而當流速V(會使Re 增大)增大到一定程度時流動即由層(滯)流狀態轉 變為湍(紊)流狀態(x1)。(示意圖和運算公式略)。 根據流體理論一般確認:Re<2300為層流流 動狀態。Re>104湍流流動狀態。 2.2 換熱管的優化形狀及傳熱性能 經過大量實驗和實際應用得出核心元件(換熱 管)的優化形狀是保證強化傳熱的主要條件。形狀 的選擇是基于以較小的流速激發湍流并實現如下功 能: (1)由于換熱管規律性的形狀尺寸(見圖1),使 管內介質流動狀態的改變不需要大的雷諾數(即流 速較低).流阻較小,所以介質的任意擾動狀況使流 體不能形成與軸線平行的流股,進而流體介質的溫 度,密度、粘性分布及雜質含量沿徑向都是均勻的, 強化了換熱管的熱工性能。 (2)換熱管的形狀優化在保證L1/D1<2條件 下,L1、L2段前后具有“引射效應”與“節流效應”,即 兩次變向擾動,故兩區域全部內表面都受到流體介 質的充分沖刷而不能形成邊界層和污垢層,進而管 內傳熱性能大幅度地提高。 (3)由于管壁很薄且具有r1、r2曲率,排除了軸 向與徑向應力的集中使其具有溫差作用下的可伸縮 性,使表面污垢雜質容易脫落,因而換熱管具有較強的防垢和自動除垢作用,所以進一步強化了管內外 的給熱性能。 2.3 傳熱系數及其計算 傳熱系數K是換熱器的重要性能指標.也是本 高新技術強化傳熱的最主要實施點。由于換熱管良 好的傳熱性能,使熱阻最大(約占全部熱阻90%,是 邊界層外熱阻的十幾倍)的邊界層處熱阻急劇下降; 又由于管內流體不斷往復的任意擾動介質均勻分 布,污垢雜質層也得到有效的破壞.從而明顯地擴大 了低熱阻區域,使管內外傳熱得到了顯著的強化,故 而波紋管換熱器的傳熱系數與殼管式換熱器相比有大幅度的提高。 傳熱系數是各熱阻之和的倒數;從而得出傳熱 系數K的計算公式: 波紋管換熱器是通過波紋管束管內流和管外橫 向流換熱系數的實驗數據研究,并把每一熱阻都修 正在同一參考面積下進行計算,在大量數據處理基 礎上綜合各方面因素確定如下公式(參見表1與等 流動條件直管比較)進行計算的。 由前述推論和表一公式可知,本產品管內外換 熱系數有較大幅度地提高,所以總傳熱系數K值也 顯著提高,通常是殼管式換熱器的2~3.5倍。 2.4 波紋換熱管的強度耐壓等性能特點 本產品換熱管除具有良好的傳熱性能外,還具 有如下性能特點: (1)薄壁換熱成型具有嚴格的成形工藝和形狀 尺寸,它是在無任何軸向拉(壓)、即在自由狀態下單 波自動連續成形,所以其減薄量極小(遠小于10% 壁厚),使整體管束具有良好的韌性、剛度和軸向伸 縮性能特點,避免了換熱管束在設備使用過程中由 于振動等原因造成的與折流板等部件的碰撞磨損; 同時能夠補償兩換熱介質之間的溫差變形。 (2)薄壁換熱管(壁厚0.5~1.2mm)經過試驗 實測和本產品的應用,證明其具有一定的耐壓能力(承壓1.6~8.0MPa),是一個性能良好的受壓元件 (實驗數據及結果略)。 3 技術性能的綜合強化 波紋管換熱器的綜合強化是從以下各方面得以 保證的: (1)根據設備運行技術參數,通過工藝選型計 算確定本產品的規格和換熱能力。工藝設計計算時 有限制地增加管內流動速度(以防止流阻過大和管 束的振動噪音等)促進湍流,以提高傳熱(換熱K- V關系曲線略)效率; (2)設計制造執行GBl50-1998和GBl51- 1999等壓力容器國家標準及企業波紋換熱管技術 條件,并力求實換熱管,管扳、法蘭等硬件與流程、介 質種類腐蝕程度、壓力,溫度等軟件的良好配合。換熱管通常選用1cr19Ni10Ti不銹鋼等,也可根據介 質腐蝕情況及具體使用要求選用00cr17Ni14M02、 銅及鈦合金管材等; (3)波紋換熱管自身的性能特點使其能補償殼 程與管程之間溫差產生的軸向拉脫力,使殼體省掉 了膨脹節裝置,也所以從結構上避免了介質泄漏和 介質混合現象。由于不銹鋼換熱管具有良好的韌 性、耐壓(壓降P-V關系曲線略)性能及抗腐蝕性 能,均使整體設備使用壽命大大提高; (4)產品不僅換熱效率高,而且從傳熱機理上 幾乎排除了堵塞和結垢的可能性,從而明顯降低了 設備的維修量,增加了使用壽命。由于單位換熱管 面積增加和傳熱系數的顯著提高.故本產品整體設 備結構緊湊,體積重量小,綜合性能優良。 4 應用比較 當前我國電力能源工業發展迅速,火力發電廠 是靠燒煤或煤氣或燃油等為國家提供電力,熱電廠 除供應電能外,更主要的是利用蒸氣機已經作過功 的蒸氣或氣輪機排出的廢氣為區域生產生活供熱 這樣就需要一定數量的換熱設備,隨著供熱技術的 發展和換熱設備的不斷創新,改造更換、使用換熱設 備就要考慮設備投入的綜合經濟效益。 以某熱電廠的改造項目為例:更換一臺汽一水 型立式(懸掛)換熱器。用波紋管換熱器替代原殼管 式換熱器,考慮改造前安裝基礎,管口連接方位和操 作空間等限制,所以滿足用戶具體要求故改造后仍 保證其外型規格足寸(該換熱器結構示意見圖2)。 其筒體、封頭壁厚的材質強度應分別符合壓力 容器強度校核公式理論并園整;法蘭、管板等按相應 標準等級設計選取。折流板(支撐板)采用園(盤)環型設計結構,其余參見表2。 4.4 技術經濟指標比較 由上述改造設計方案(含表2)可得出比較結 果:改造后傳熱系數提高了近3倍;換熱效率提高了近2倍;設備重量降低了近1/2;使用壽命提高了2 倍以上;280℃蒸汽替代320℃蒸汽,蒸汽是靠燃 煤提供的熱量而獲得的,減少了投資同時也降低了傳熱溫差,節省能源消耗;僅一項就使該熱電廠節省標準煤近50萬元/年。另外由于本產品自身性能特 點而大大降低了維修工作量,所以其綜合經濟效益大幅度提高。 5 結 論 波紋管換熱器節能降耗強化傳熱,結構緊湊使用耐久,并兼顧了殼管式、板式等換熱器的各自優點,其換熱效率高,綜合經濟效益顯著,是強化傳熱 高新技術的節能型熱交換設備,但也有待于進一步 技術完善和改進創新。 參考文獻: [1] 上海化工學院.化學工程[M].化學工業出版社,1980. [2] 楊世銘.傳熱學[M].高等教育出版社,1980. [3] 郎 逵.波節(紋)管強化傳熱換熱器的開發與應用(節能) [M].1994. [4] 化工機械手冊編委會.化工機械手冊[M].天津大學出版社, 1991. [5] 付尚信,郎 逵.高效熱交換器數據手冊[M].機械工業出版 社,1981. [6] 全國容標委.GB150-1998鋼制壓力容器[M].中國標準出版 社,1998. [7] 全國容標委.GBl51-1999管殼式換熱器[M].中國標準出版 社,1999. [8] GB16749-1997壓力容器波形膨脹節[M].中國標準出版社, 1997. 
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