对螺旋折流板换热器和传统的弓形折流板换热器进行了壳程传热性能和壳程的阻力的对比,同时通过实验方法对30°、40°螺旋角的螺旋折流板换热器进行了壳程传热性能和壳程阻力的研究,得出螺旋折流板换热器的螺旋流动强化了传热,螺旋折流板换热器的壳程阻力比弓形折流板换热器的小。

关键词：弓形折流板　螺旋折流板　螺旋流　传热系数

目前,我国石化、电力等行业工艺流程中应用的冷换设备多数为管壳式换热器,在各种换热设备中占据着主导地位。由于在役的管壳式换热器大多为传统的垂直弓板换热器,换热效率比较低,因此,提高设备的换热效率、降低压力降成为冷换设备技术进步面临的主要问题。

为了提高换热效率,人们在应用强化异形管上做了很多尝试。异形管确实起到了改善管内流体流动形态、提高膜传热系数的效果,但由于总的传热系数是由于管内膜传热系数、管外膜传热系数、管壁导热系数及污垢热阻等因素组成,当影响管外膜传热系数热阻成为控制热阻时,仅改善管内传热条件是没有多大意义的。只有同时减少管外热阻、提高管外膜传热系数,才能真正提高整台换热器的换热效率。为此,美国菲力浦公司首先推出了折流杆列式换热器。折流杆折流结构突破了垂直弓板折流结构导致的介质横向流流动方式,采用纵向流流动方式,降低了压力降,而且由于折流杆的插入,流体形成卡门涡街,增加了介质扰动形成紊流,提高了壳程的膜系数。但是折流杆换热器有一定的局限性,即当壳程介质粘度较大时无法形成涡街。壳程流体被限制在流层状态,膜传热系数显著降低,因此,在原油换热、渣油换热等系统不适合用这种换热器。

1 弓形折流板与螺旋折流板换热器的比较

弓型折流板换热器中,弓型折流板使流体横向冲刷管束,提高了壳侧流体的换热能力,但是,由于流体在接近壳体壁面处的突然转向使能量损耗迅速增大,造成壳侧的沿程压力降的增大,另外,由于折流板与壳体之间的旁流和换热管与折流板之间漏流及死区的存在(如图1),使其壳侧流动特性的缺点十分明显。螺旋折流板换热器正是针对弓型折流板换热器壳侧流动的缺点提出的,通过改变壳侧折流板的布置,使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。因此,理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是,螺旋曲面加工比较困难,而且换热管与折流板的配合也比较难实现。考虑到加工上的方便,采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代区面相间连接,在壳侧形成近似螺旋面,使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动。在螺旋折流板换热器中(如图2),流体在壳侧的流动方向是连续变化的。不存在突然转向的流动,极大的降低了流动阻力。流体与换热管有一螺旋倾角,流体螺旋状的绕过换热管束,不仅流动阻力小,而且不存在滞死区,流动特性的优点是显而易见的。

2 试验

2.1　试验主要设备及仪器

本次实验对壳层直径为φ273mm×3mm,2台换热器芯组都是44根两管程长2498mm,φ19mm×2.0mm换热管排成,30°、40°螺旋角的螺旋折流板换热器芯组进行传热性能及压降的研究。试验在我校的换热性能综合测试实验台上进行,主要测试仪表、设备为:

测温:精密温度计,分度0 1℃,量程0～50℃和0～100℃;

测压:U型管压差计;

流量计:LZB一100转子流量计并联,量程8～50m3/h;

因为油的粘度较大,本试验设计为:管程走水ρ=998.2kg/m3,流量定值为18m3/h:壳程走油,密度ρ=836kg/m3。

2.2　实验流程

本装置主要包括两个回路、四个部分。两个回路为:换热系统的管程部分和壳程部分。冷流体走壳程,热流体走管程。实验时分别测试水水换热和水油换热两组实验。水,四个部分包括:①冷水的储罐;②热水的储罐及加热系统;③热油的储罐及加热部分;④循环动力系统。

1.换热器;2.热油储罐;3.热水储罐;4.冷水储罐;5.截止阀;6.流量计;7.压力表;8.泵

(1)螺旋折流板列管式换热器改变了传统垂直弓板多次180度折返横向流流动方式,减少了窗口区流体大角度折返的压头损失,为介质提高流速提供了可能性,提高了流速就是提高了雷诺数,因此可以大幅度提高膜的传热系数。

(2)螺旋折流板列管式换热器壳程介质的螺旋折流方式,使得壳程的横截面出现一个速度梯度场。这个速度梯度场使每一根换热管都处于换热介质漩涡中,此漩涡使换热管变面层减薄,降低了热阻,而螺旋倾角在25°～40°区间换热效果最好。

(3)螺旋折流板列管使换热器平稳的螺旋流动方式,改善了传统垂直弓板横向折返流造成的折流板后患热面积2/5左右的三角死区弊端,增加了有效换热面积,提高了整体换热效果。

(4)实践证明,换热介质粘度较大时,污垢热阻占总热阻的50%～70%。螺旋通道内高速旋转的介质流有利于冲刷走壳程内的颗粒及沉淀物,消除结构严重的三角死区,可显逐渐的热阻,这对于提高热效率是极为有利的。

(5)垂直弓板折流列管式换热器的振动损伤,是换热器场周期运行的一个重要问题。窗口区两倍于正常折流艰巨的支撑长度,是造成管子振动的主要原因。螺旋折流板列管式换熟器通过选择合适的角度得到均一的、避开了管自激振频率的支撑长度,从而解决了管束振动损伤问题。(6)在获得相同的壳侧换热系数条件下,螺旋折流板换热器的壳程阻力小于弓形折流板换热器,同时其流量大于弓形折流板的流量。

4 小结

综上所述,螺旋折流板换热器在综合性能方面显示出了其优越性:

(1)螺旋折流板换热器的螺旋流动强化了传热;相同条件下,螺旋折流板的传热系数近似为弓形折流板的传热系数的1 9倍,可见螺旋折流板比弓形折流板换热效果好。

(2)相同条件下,螺旋折流板换热器比弓形折流板换热器的压降小很多。

(3)只要设计合理,会使流动完全沿着螺旋折流板方向流动,没有死区。

(4)螺旋折流板换热器,对于低粘度流体、高粘度流体及流体有无相变等情况均适用,尤其是对于高粘度流体,效果更为突出