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螺旋折流板列管式換熱器在輪機工程中的應用

點擊:1618 日期:[ 2014-04-26 22:13:37 ]
                           螺旋折流板列管式換熱器在輪機工程中的應用                                       彭韜    金躍波     摘要:介紹了螺旋折流板列管式換熱器的結構特點,對其流動換熱的機理以及影響因素作了分析,并的對其在輪機工程中的適用問題提出了看法。     關鍵詞:換熱器 螺旋折流板 傳熱     中圖分類號:TK414.2+12    文獻標識碼:A    文章編號:1006-7973(2007)09-0219-02     一、前言     熱交換器是船舶輪機中廣泛應用的不可缺少的重要設備之一。諸如,壓縮空氣冷卻器、主副機滑油冷卻器、氣缸套淡水冷卻器、燃油加熱器、蒸汽凝水器、給水加熱器等。殼管式換熱器處理能力大,高溫高壓適應性強,換熱表面清洗方便,因此,是船上管式換熱器中的主要型式。傳統的管殼式換熱器中大多采用弓形隔板支撐,流體在殼程呈“Z”形流動,弓形折流板使流體垂直沖擊殼體壁面,造成較大的沿程壓降;折流板與殼體壁面相接處產生流動滯止死區,降低了換熱效率;高質量流速的流體橫掠換熱管束,可以誘導換熱管的振動,縮短了換熱器的壽命(如圖 1)。                             螺旋折流板換熱器是近年來提出的一種新型換熱裝置。由于其流動與傳熱優勢得到了日益廣泛的應用(如圖 2)。實踐證明,這是一種比傳統垂直弓板折流和桿折流列管式換熱器有相當優勢的換代產品。其主體設計思想是將數塊扇形板布置成與換熱器軸線成一定傾斜角度排列的近似螺旋形,使流體呈螺旋狀流動。常見的設計形式是每塊折流板占殼程橫截面的 1/4,首尾相接。這種結構的換熱器能有效降低殼程壓力損失,流動死區小,不易結垢,并且流體的湍動效果有所加強,有利于強化傳熱。探討其流動與傳熱特性以及壓降等方面的性能,對其在輪機工程中的應用有一定的指導意義。                          二、螺旋折流板換熱器機理分析      1.結構原理分析     殼管式的傳熱面由管束構成,流體在管外殼內流動,稱為殼程;另一流體在管內流動,稱為管程;內部通常設有折流板以支承管束,提高殼側表面傳熱系數。     螺旋折流板換熱器的提出基于這樣一種思想: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,螺旋曲面加工困難,而且換熱管與折流板的配合也較難實現。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)替代曲面相間連接,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。一般來說,出于加工方面的考慮,一個螺距取 2~4 塊折流板,相鄰折流板之間有連續搭接(圖 3a)和交錯搭接(圖 3b)兩種方式,按流道又可分為單螺旋(圖 3a、3b)和雙螺旋(圖 3c)兩種結構。                            從圖示 4 螺旋折流板折流示意圖可知,螺旋折流板換熱器殼程中的介質流動圍繞換熱器管束中心軸呈螺旋狀向前連續平穩流動,極大地提高了管、殼程介質的傳熱效率,較大幅度地降低了殼程壓力降,減少了換熱器管束的振動。                           2.傳熱性能分析     傳熱系數是傳熱過程的綜合反應,它的大小表征了過程傳熱能力的強弱,是衡量換熱器傳熱性能的重要指標。      在螺旋流中,由于切線速度產生作用在流體上的離心力,流體外側的壓力升高,內側壓力下降,流體在內外壓差的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。螺旋流和二次流相迭加,使湍流強度大幅度增強,并使湍流度徑向分布均勻化,從而增強換熱。二次流動的強烈沖刷既可增強換熱又有除垢的獨特優點。同時流體在殼程產生旋轉流動,在離心力的作用下流體周期的改變速度方向,加強了流體的縱向混合,從而能夠強化傳熱。在一般情況下,傳熱系數要比弓形折流板形式高 40%左右。因此,在同樣熱負荷的情況下可減小換熱器的尺寸和質量。      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,使換熱系數大大增大 。      在螺旋折流板換熱器中,因為殼側流體螺旋流動,流體會不對稱地從管子的兩邊分離,同時管子上的邊界層會產生螺旋狀的流路。這種現象會改變普通邊界層分離的特點,使邊界層減薄及增強邊界層的擾動性,從而增大傳熱效率。      粘度較大介質的換熱,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在殼程內沖刷走顆粒物及沉淀物,消除了結垢嚴重的三角死區,這對于換熱效率的提高極為有利。    3.壓降損失分析    弓形折流板垂直于換熱管束,介質流動方向改變大,產生的壓力損失也大,這是弓形折流板換熱器能耗大、壓力降大的主要原因。螺旋折流板換熱器中的介質在殼體內連續平穩旋轉流動,沒有急劇的流向改變,因此,殼程介質壓力降較小。在相同流量條件下可使壓降減少 45% 左右。    4.抗振性能分析    螺旋折流板換熱器殼程流體與管子軸向有一角度,減小了流體對管子的直接沖擊,螺旋折流板的連續支撐減小了管束跨距,使管子和流體產生的振動頻率差距加大,避免了共振。因此,螺旋折流板換熱器有良好的抗振性能。      三、螺旋折流板換熱器在輪機工程中的應用      螺旋折流板換熱器的最大特點是單位壓降下的殼側換熱系數高,這就意味著在獲得相同的殼側換熱系數條件下,其殼側阻力將小于弓型折流板換熱器的,同時其流量要大于弓型折流板換熱器的。因此,螺旋折流板換熱器在殼側壓力降或污垢熱阻限制比較嚴格的場合,以及流體誘導振動比較嚴重的場合尤其顯示出其優越性。     與傳統弓形折流板式換熱器相比更適用于較粘稠的介質及結垢嚴重的介質。螺旋折流板換熱器具有流道流程長、單一且彎曲的特點。流體在螺旋型流道中流動產生的離心力能增加流體擾動,及時破壞高粘度液體在管子上形成的液膜,對沉淀型污垢有自潔作用,適用于高粘介質,如原油、渣油等。螺旋折流板換熱器具有良好的抗振性,特別適用于介質流量波動較大或汽液兩相的工況。     殼程側無滯流區與死區,無污垢沉積,因此,換熱器在整個使用周期內總傳熱系數下降很小,在裝置的使用后期仍然具有良好的操作性能,可延長檢修周期。     螺旋折流板列管式換熱器不宜用于冷凝器。在冷凝換熱場合,因為氣體流動阻力較小而且殼體不存在死區,不易結垢,垂直弓形板折流可以很好達到冷凝換熱效果。在螺旋折流板列管式換熱器中,螺旋流上升氣流影響凝液下降,有時會在一定程度上抵消傾斜板引流作用。所以冷凝器未經合理的工藝計算不宜選用螺旋折流板列管式換熱器。尤其是冷凝量較大,殼體底部液面有一定高度將形成水封閉而使螺旋流間斷時,更不能選用螺旋折流板列管式換熱器。     螺旋折流板換熱器也有一定的缺點,其螺旋折流板和定距管的加工較弓形折流板換熱器困難,需要專用的加工胎具,因此,其價格略高于弓形折流板換熱器。         參考文獻     [1] 徐彬,張麥貴.螺旋折流板換熱器在常減壓裝置中的應用.[J].石油化工設備.2OO3.9:53~54.     [2] 王素華,王樹立,趙志勇.螺旋折流板換熱器流動特性研究.[J].石油化工高等學校學報.2001.14(1):64~67.     [3] 王秋旺.螺旋折流板管殼式換熱器殼程傳熱強化研究進展.[J].西安交通大學學報.2004.9:881~885.     [4] 郭祖平.輪機工程基礎.[M].大連:大連海事大學出版社.2000.     [5] 王秋旺.傳熱學.[M].西安:西安交通大學出版社.2001.
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