螺旋折流板換熱器簡(jiǎn)介及相關(guān)尺寸的算法

發(fā)布時(shí)間：2011-10-25 瀏覽：7940

      管殼式換熱器的出現(xiàn)已有上百年的歷史,是應(yīng)用最廣泛的單元設(shè)備之一,占我國(guó)全部換熱器產(chǎn)量的50%以上[1]。普通的管殼式換熱器采用 弓形折流板[2],折流板與換熱管垂直布置,存在流動(dòng)死區(qū),換熱效率難以提高;流體橫向掠過(guò)換熱 管,管束易發(fā)生振動(dòng),造成換熱管與管板連接處松 動(dòng)或換熱管斷裂,導(dǎo)致?lián)Q熱器失效,大直徑換熱器中的振動(dòng)問(wèn)題更為嚴(yán)重。20世紀(jì)60年代有學(xué)者提出了螺旋折流板的結(jié)構(gòu)型式,但由于制造難度較大,一直未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。1986年捷克科 學(xué)家獲得了螺旋折流板的專利, 1994年ABB公司實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化制造[3],在歐美等西方國(guó)家得到了應(yīng)用。20世紀(jì)90年代末,國(guó)內(nèi)有單位取得了專利技術(shù)并在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用[4]。

        1　螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)與分析

        1. 1　螺旋折流板的結(jié)構(gòu)

        螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)型式來(lái)源于輸送物 料的攪龍。最初的螺旋折流板為連續(xù)螺旋結(jié)構(gòu), 由于制造上難以實(shí)現(xiàn),目前的螺旋折流板換熱器 都是采用斷續(xù)的近似螺旋結(jié)構(gòu),即采用若干塊四 分之一殼程橫截面的扇形板組裝成螺旋狀,每片 折流板與穿過(guò)其上的換熱管斜交。在螺旋折流板 換熱器內(nèi),介質(zhì)自殼層進(jìn)口向出口呈螺旋狀推進(jìn), 由此產(chǎn)生的離心力提高了流體的湍流程度,也避 免了大角度折返帶來(lái)的壓力損失。目前常用的螺 旋折流板帶有螺旋角α和后傾角β,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        流體在殼程的流動(dòng)不僅與螺旋角有關(guān),而且 與螺旋板的具體尺寸有關(guān)�？梢愿淖兟菪�角角�� 調(diào)整殼程的流通面積,可以采用一定的搭接量來(lái) 減小換熱管無(wú)支撐跨距以提高剛度,可以采用雙 螺旋或雙殼程結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整殼程的流體流動(dòng)。明確 螺旋折流板尺寸對(duì)傳熱及阻力性能的影響,是研 究螺旋折流板換熱器的一個(gè)重要課題。

1. 2　螺旋折流板換熱器中流場(chǎng)間的相互作用

1. 2. 1　螺旋角對(duì)流場(chǎng)的影響[5]

        一般情況下,螺旋折流板換熱器殼程流體的 切向速度ut大于軸向速度uz,且α越小,ut越大。 脈動(dòng)速度對(duì)α很敏感,α減小則脈動(dòng)速度增大。α 減小,阻力降增加,但與弓形折流板換熱器相比, 阻力降要小很多。

1. 2. 2　流量對(duì)流場(chǎng)的影響[5]

        在α相同時(shí),流量增大時(shí)流速沿徑向分布趨 于均勻,脈動(dòng)速度增大,有利于傳熱。這是因?yàn)榱?nbsp;量增大時(shí),層流邊界層變?yōu)橥牧鬟吔鐚?分離點(diǎn)提 前,管束后產(chǎn)生大量漩渦,漩渦運(yùn)動(dòng)可增強(qiáng)液體徑 向混合,使速度沿徑向分布趨于均勻。

1. 3　螺旋流動(dòng)對(duì)換熱的影響

(1)在螺旋流動(dòng)中,切向速度產(chǎn)生作用在流 體上的離心力,流體外側(cè)壓力升高、內(nèi)側(cè)壓力下 降,流體在壓差作用下從外側(cè)向內(nèi)側(cè)流動(dòng),同時(shí)中 心的流體出現(xiàn)回流,造成二次流[5]。螺旋流和二 次流迭加,使湍流程度大幅提高,并使湍流程度在 徑向均勻化,從而強(qiáng)化傳熱。

(2)螺旋流動(dòng)的流體斜向沖刷管束,在傾斜 和旋轉(zhuǎn)的雙重作用下,使速度邊界層變得很薄,傳 熱系數(shù)得到大幅提高。

1. 4　螺旋折流板換熱器的特點(diǎn)

        與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比,螺旋折流板 換熱器具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)殼程流體呈螺旋狀流動(dòng),流體湍流程度 加劇,層流底層厚度減薄,利于提高傳熱系數(shù)。據(jù) 國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道,與弓形板相比,螺旋折流板單位壓 降下的殼程膜傳熱系數(shù)可提高1. 8~2. 0倍,因此 在相同熱負(fù)荷下可減小換熱器的尺寸。

(2)殼程介質(zhì)的螺旋流動(dòng)使其阻力降明顯降 低,與單弓板相比,相同流量條件下可減少阻力降 約45%。

(3)殼程無(wú)滯流區(qū)和死區(qū),無(wú)污垢沉積,可延 長(zhǎng)設(shè)備檢修周期。

(4)更適用于粘稠介質(zhì)和結(jié)垢嚴(yán)重的介質(zhì)。

(5)有效防止了流體誘導(dǎo)振動(dòng)的發(fā)生,適用 于流量波動(dòng)較大和汽液兩相的工況。

        螺旋折流板換熱器也有一定的缺點(diǎn),其螺旋 板管孔和定距管的加工較困難,需要專用胎具,管 束組裝難度較大,造價(jià)高于弓形板換熱器。

2　螺旋折流板換熱器的研究

        螺旋折流板換熱器的研究主要集中在殼程側(cè) 流體力學(xué)研究,通過(guò)對(duì)殼程側(cè)傳熱和阻力降的研 究,選取合適的螺旋角來(lái)滿足工程上的需要。國(guó) 外的研究機(jī)構(gòu)主要有美國(guó)的傳熱研究協(xié)會(huì) (HTRI)和英國(guó)的傳熱及流體流動(dòng)研究中心。

        國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)是研究較早的單位,并且 獲得了多項(xiàng)專利。鄧斌等采用多孔介質(zhì)和分布阻 力模型階梯逼近技術(shù)對(duì)換熱器殼程側(cè)的層流流動(dòng) 進(jìn)行了數(shù)字模擬[6],表明殼側(cè)流體呈螺旋形流動(dòng) 并與相應(yīng)的換熱器冷態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比研究。王 秋旺等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)換熱器進(jìn)行了換熱及阻力性能 研究[7],發(fā)現(xiàn)在4管程換熱器中使用假管會(huì)使換 熱效率降低、阻力增加;在相同雷諾數(shù)時(shí),無(wú)中心 管的傳熱效率比有中心管的高30%;在相同的殼 側(cè)流量下,殼程側(cè)傳熱系數(shù)隨螺旋角增大而減小。 王良等對(duì)螺旋角為10°和15°的換熱器進(jìn)行了換 熱與阻力性能試驗(yàn)[8]。

        華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在強(qiáng)化傳熱和新型殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)方 面做了大量研究工作,率先在螺旋折流板換熱器 中采用低翅片管[9]。南京工業(yè)大學(xué)張少維等對(duì) 折流板間距對(duì)換熱器性能的影響進(jìn)行了數(shù)值研 究[10]。撫順石油學(xué)院的研究人員采用有機(jī)玻璃 制作了螺旋折流板換熱器的模型,用激光測(cè)速儀 詳細(xì)測(cè)量了流場(chǎng)的特性,研究了旋流角對(duì)速度分 布和脈動(dòng)速度的影響及流量的耦合關(guān)系,發(fā)現(xiàn)不 同的螺旋角和布置方式都會(huì)影響流體的速度分 布,也會(huì)影響換熱效果。彭杰等對(duì)螺旋折流板搭 接量進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:搭接布置有利于降低 壓降,但不利于傳熱。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)尺寸的計(jì)算

        目前常用的螺旋折流板為帶有螺旋角α和 后傾角β的折流板,如圖2所示。通常情況下,由 4塊螺旋折流板交錯(cuò)搭接形成一個(gè)螺距。α為折 流板所在平面與管板所在平面的夾角,β為帶有 螺旋角α的折流板向流體流動(dòng)方向(軸向)后傾 的角度。將螺旋折流板的邊長(zhǎng)跨過(guò)設(shè)備中線重疊 一部分,這樣可有效減少折流板間的漏流,一般重 疊2排左右的管子。

        折流板投影圖和主視圖如圖3所示。圖3左 側(cè)是折流板在設(shè)備管板截面上的投影圖,為1/4 圓形;右側(cè)為折流板的主視圖,為近似扇形。相關(guān) 尺寸的算法如下。

3. 1　螺旋折流板邊長(zhǎng)、夾角及傾角的計(jì)算 如圖2所示,OO′為設(shè)備軸線,AA″在設(shè)備軸 線上,BA′D″的粗實(shí)線部分為折流板實(shí)際空間位 置。由圖2可看出,α和β不等時(shí)折流板的兩個(gè) 邊長(zhǎng)不等,這樣會(huì)給生產(chǎn)中的下料帶來(lái)很大困難, 所以實(shí)際設(shè)計(jì)中盡量使兩個(gè)角度相等,下面的計(jì) 算均基于兩個(gè)角度相等進(jìn)行。

3. 1. 1　邊長(zhǎng)計(jì)算

        圖3中OD為折流板在管板截面投影的中心 線,OD′為折流板主視圖的中心線,從圖2可看出 兩個(gè)長(zhǎng)度相等且相當(dāng)于單弓板設(shè)備的折流板半 徑。

        結(jié)合圖2和圖3可得:

        R=AB=AD

        由圖2可得出:

        R′=BA′=A′D″=R /cosα

        帶有螺旋角和后傾角的螺旋折流板,當(dāng)兩個(gè) 角度相等時(shí),其實(shí)際形狀(圖3)為兩個(gè)邊長(zhǎng)為 R′、中心線長(zhǎng)度為R、夾角為θ的近似扇形,關(guān)于 中心線對(duì)稱。

3. 1. 2　夾角θ計(jì)算

 

        定距管是一個(gè)回轉(zhuǎn)體,其端面要與折流板端 面貼合,所以定距管的端面傾角等于折流板傾角 γ,如圖4所示。

3. 4　定距管長(zhǎng)度計(jì)算

        折流板布置簡(jiǎn)圖如圖5所示。在施工圖中應(yīng) 給出第1塊折流板在設(shè)備軸線上的中心點(diǎn)內(nèi)側(cè) (不包含壁厚)距管板內(nèi)側(cè)的距離。

        拉桿的布置見(jiàn)圖3。每塊折流板的拉桿數(shù)為 偶數(shù)時(shí),應(yīng)相對(duì)于折流板的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱布置;拉桿 數(shù)為奇數(shù)時(shí),應(yīng)將1根拉桿布置在旋轉(zhuǎn)軸上,其余 相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱布置,盡量減少定距管的種類。 先在管板的布管圖上確定拉桿的位置,以管 板內(nèi)側(cè)面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)給出所有拉桿中心的 坐標(biāo)值。

3. 4. 1　相鄰2塊折流板之間的定距管長(zhǎng)度(軸線 長(zhǎng)度)

        相鄰2塊螺旋折流板之間的定距管的兩個(gè)端 面均為斜面,其軸線長(zhǎng)度計(jì)算如下:

3. 4. 2　前4塊折流板到管板內(nèi)側(cè)面的定距管長(zhǎng) 度(軸線長(zhǎng)度)

        組成第1個(gè)螺旋的4塊折流板與管板之間的 定距管靠近管板側(cè)為平面,靠近折流板側(cè)為斜面, 其傾角為γ。

        拉桿在管板上的投影圖如圖6所示。設(shè)第1塊 折流板在管板上的投影為圖6中的第1象限,則 L11處的定距管最短,沿順時(shí)針?lè)较蚨ň喙荛L(zhǎng)度依 次遞增,L44處的定距管最長(zhǎng)。第1象限4根拉桿 中心點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為L(zhǎng)11(x1,y1),L12(x2,y2), L13(x3,y3)和L14(x4,y4)。

        第1塊折流板上的4根定距管按長(zhǎng)度由小到 大的順序如下:

        第2塊折流板上的4根定距管與第1塊上的

        階段,試驗(yàn)用模型尺寸太小,研究的結(jié)果還達(dá)不到 工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用的要求,應(yīng)該走產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的路 線,在企業(yè)投運(yùn)的裝置上獲取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),建立 傳熱和流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,開(kāi)發(fā)通用的傳熱計(jì)算軟 件,盡快實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。目前各企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí) 到了螺旋折流板換熱器的優(yōu)越性能,愿意在裝置 中采用,但限于機(jī)械制造技術(shù)一直難以大批量生 產(chǎn)。采用先進(jìn)的制造技術(shù)和改造數(shù)控機(jī)床,解決 折流板加工和管束組裝難題、提高生產(chǎn)效率、加快 螺旋折流板換熱器的推廣應(yīng)用,是迫切需要解決 的問(wèn)題。

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