波纹管换热器性能及效益分析

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-23 14:47:20 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器 热管 传热

换热器是热能交换的主要设备,在热电联产、集中供热、石油化工、油品输送、冶金、轻工及宾馆、医院等领域具有广泛的应用。下面我要分析介绍的波纹管换热器,是我公司根据客户要求及借鉴外来经验设计研制的换热器,是一种新型的高性能的热交换器,是换热器家族中一个高新技术产品,也是我国自己研制与应用的唯一具有竞争力及优越性能的换热器。其具有高效、安全、可靠、节能、不易堵漏、密封周期长的,综合性优点,尤其适合在高温、高压的条件下实用。

本文根据传热学原理,对波纹管换热器的结构特点,进行了详细的理论及技术性能分析、经济效益和社会效益的分析。对今后压力容器行业换热器产品的更新改造有着较大的借鉴意义。

2 波纹管换热器的主要结构特点

2.1 传热原理

我们先来分析一下间壁两侧流体热交换过程:流体在圆管内流动时,分层流层和湍流层,介质在管内各点的速度随该点与管中心的距离而变,距离管壁附近流速最慢,为层流层,越离管壁较远处,流速越快,为湍流层。

物质间热交换过程有三种:热辐射、对流传热和热传导。化工中常遇到的是温度不太高的流体间的热交换问题,此时辐射传热通常可不予考虑。热量自热流体传到间壁表面的一侧,或自间壁另一侧表面传给冷流体,都属于对流传热。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象,所以和介质流动的情况密切相关。即使是在湍流流动的情况下,流体主流中由于旋涡丛生,流体各部分相互混合,所以热阻很小,从而在和流体流动方向垂直的截面上,湍流中心区各点流体之间的温度趋于一致;但在紧靠壁面处,总有一层流体膜顺着壁面作层流流动,称为层流底层。在冷流体一侧,热量在传入冷流体主体之前,必须首先通过它。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的,所以流体膜虽薄,却是对流传热的主要热阻,温度降也主要集中在层流底层中。

图1为对流传热时沿热流方向的温度分布情况示意图。图中F1F1与F2F2为层流底层的界面,T`为热流体中心温度,也即最高温度,t`为冷流体中心温度,也即最低温度。在热流体的湍流主体中,由于流体质点充分混合,温度基本上是一致的,即图中T`。在层流底层内,由于热阻较大,温度急剧由Tb下降到Tw。在层流底层和湍流主体之间,存在一个温度逐渐变化的区域,称为过渡区,其中温度由T`下降到Tb。再往左通过管壁,因其材料通常为金属,热阻很小,因此,管壁两侧的温度Tw和tw相差很小,此后在冷流体内,又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体,温度由tw经tb下降到t`。图中曲线twtbt`和曲线T`TbTw的意义相似。

图1 对流传热时沿热流方向温度分布情况

 

2.2总传热系数影响因素

传热学传热速率公式如下:

Q=KA(T-t)-----------------------(2-1)

式中: Q------换热量

K------换热系数

A------换热面积

(T-t)------传热温度差

从公式(2-1)可以看到,换热量和换热系数K 成正比,要提高换热器的热交换能力,就必须想办法提高换热系数K值。

对流传热时根据传热学原理,圆筒型壁热交换管的总热阻公式为:

1/K=1/α1+b/λ(d1/dm)+1/α2(d1/d2)+Rs(d1/d2)-----(2-2)

式中: K------总传热系数

α1、α2------管壳程对流传热系数

b------换热管壁厚

λ-----换热管传热系数

Rs-----污垢热阻

d1、d2、dm-----分别为换热管内径、外径、中径

2.3提高换热器换热性能途径分析:

由2.1 间壁两侧流体热交换过程及公式(2-2)可以看出,要想提高热交换器的换热性能,就要努力降低总热阻1/K,既提高总热交换系数K值,从中不难看出提高换热系数K值有如下途径:

1).减少层流层,增加湍流层,从而提高对流传热系数α1、α2:

由化工原理中有关传热学知道,K值几乎主要取决于对流传热系数,则必须设法同时提高流体两侧的对流传热系数α1、α2。

2).减少传热距离,既减小换热管壁厚b。

3).提高传热系数λ

可以通过选用导热性能好的换热管材料实现。

4).降低污垢热阻Rs

当污垢热阻起很大作用时,则必须设法减慢污垢生成速率或勤予清洗。

2.4 波纹管换热器结构特点:

如图2所示为波纹管换热器的一般设计结构,其外表与普通换热器相同,壳程采用普通的圆筒形结构,其与普通换热器相比,最大的特点是管程采用薄壁不锈钢波纹式换热管,波纹换热管结构组件见图3,它是由壁厚为0.5mm~0.7mm的管料经过挤波器设备加工而成,使换热管壁形成一个个凸起,并经过与其焊接的管套,与管板进行强度焊接而成。

图2 波纹管换热器结构

图3 波纹换热管结构组件

 

3 波纹管换热器性能分析

3.1波纹管换热器换热性能分析:

(1)良好的对流传热性能

由于换热管壁制造成一个个的波纹,所以介质在管内流动时,其层流层被凸凹不平的壁面所破坏,这样就大大提高了介质的湍流层, 形成不断的旋涡式湍流流动,可达到更充分的换热效果,从而提高了介质间的对流传热系数α(可大约提高2~3倍),降低了对流热阻1/α,使波纹换热器具有良好的对流传热性能。

(2)良好的热传导性能

本设备波纹换热管采用不锈钢薄壁管制成,不锈钢具有良好的热传导性能,即热传导系数λ大。切采用0.5mm~0.7mm的薄壁管,这样就保证减小了传导热阻b/λ值。

普通换热器的换热管壁厚一般厚度达2mm~3mm,而波纹管换热器与之相比,同材质情况下可提高热传导性能2~3倍。所以它具有良好的热传导性能。

(3)较低的污垢热阻

由于换热管采用波纹形,所以介质在换热管内外壁流过时,增加了湍流流速,形成了一个个向前不断涡流流动的流态,大大减少了介质在换热管内外壁上积垢的可能,从而大幅度降低了污垢热阻Rs。

(4)单位容积传热面积大

由于换热管是由光管连续胀形,外表面形成一圈圈的波纹,所以内外表面积均比同长度的光管大,如用φ27X0.7光管制成后的波纹管表面积可以比原来增大20%左右,所以同壳径的换热器,装有同数量的换热管,装波纹管的可以比装光管的换热面积大。

从以上分析可知,波纹管换热器具有良好的热交换性能。

3.2波纹管换热器使用性能分析

(1)不污、不堵、不结垢

由于该设备的换热管采用不锈钢材料制成,换热管为波纹形的特点,增大了介质的湍流层,减少了易滞留积垢的平流层,大幅度减少了换热管内外壁积污的可能,故防堵性能好,管程耐蚀性好。不所以它照比其它换热器大幅度减少了设备的清理维护工作量,方便了用户的使用。最近证实首台换热器在浑河供热所已经使用五个供暖期仍不结垢,这足以证明新产品有很强的防结垢能力,从而也保障了换热器的稳定运行(换热效率不降低)。

 

(2)防漏能力强

因为每根换热管的各个波纹都具有自身补偿热胀冷缩的功能,因此不需要膨胀节之类的设置来减少管壳程的温差应力,有较强的适应热膨胀能力。

(3)防震能力强

第一. 由于换热管波纹的加工,使其自身带有可塑性。

第二. 选用具有较好的可塑性不锈钢材料。

第三. 采用了波纹管与套管焊接后,再与管板相焊的结构。这样就使波纹换热管与管板不直接接触,减少了因厚度差引起的局部应力。

第四. 与波纹管焊接的套管处,采用了缓冲节加工结构,如图2局部放大图所示,也提高了其抗震性能。

(4)动态性能好

由于产生强化扰动的流速范围达0.2m/s以上,故负荷变化而引起的管内流速变化时,也不影响换热性能。

(5)减少设备维修量

由于该产品不污、不堵、不腐蚀、不结垢、密封性能好,不必象其它换热器那样年年维修。一旦需维修,工作量也很小。

(6) 较高的承压能力

由于换热管做成一个个的波纹形结构,照比光管增强了其承载压力的能力,使其更适合在较高的压力下工作。

由以上分析可知,波纹管换热器具有良好的使用性能。

4波纹管换热器经济社会效益分析

4.1较高的经济效益性能

(1)可以节省材料成本

换热管管壁加工为波形,如图4所示为波纹管结构加工尺寸图,设凸波球面半径为R,管外半径为r,加工波纹凸波率为R/r=1.2,波纹间距(相邻两波峰间的距)为24mm,由几何公式可得到球面面积S球、球冠面积S冠、圆柱侧面面积S柱如下:

S球 =4πR2

=4π(1.2r)2

=5.76πr2

 

S冠 =2πR[R-(R2-r2)1/2]

=2π(1.2r){1.2r-[(1.2r)2-r2]1/2}

=1.3πr2

 

S柱 =4πr(R2-r2)1/2

=4πr[(1.2r)2-r2]1/2

=2.65πr2

 

图4波纹管结构尺寸

由以上公式得到等长波纹外表面S波与直管外表面S直之比值如下:

α=S波/S直

=(S球-2S冠)/S直

=(5.76-2X1.3) πr2/2.65πr2

=1.2

沿换热管长度方向上波纹分布率η为:

η=2[(1.2r)2-r2]1/2/24=2[(1.2r)2-r2]1/2/24=0.055r

如按φ25X0.7规格的波纹管计算,得到沿管长布波率为68.75%,若按布波率50%保守计算,波纹管换热面积与原直管换热面积比μ为:

μ=(1.2S波+S直)/2S直=1.1 (4-1)

由式(4-1)的结果及(2-1)公式可以知道,同样换热量Q,由于面积 A(=S波+S直)的增大及K值的提高,照比直管式不锈钢换热器,波纹管式换热器可以较大幅度减少设备制造用料成本。其中外壳用料,可以至少降低为普通换热器用料的90%(=1/μ);换热管用料,如果照比同材质不锈钢材料可以降低大约一半以上材料,如果照比碳钢材料,虽然成本提高了一些,但照比其换热能力的提高幅度,总造价并不高。所以波纹管换热器具有较高的经济效益性。

(2)减少附件制造费用

由于具有良好的热膨胀适应能力,所以可以照比一般结构材料换热器,可以减少安装热膨胀节的购置安装费用上千元。

4.2良好的社会效益性

对于相同的热交换需求量Q,由于其热阻小,换热系数高,所以可以减少热能动力源需求,节约煤碳及电力资源,所以具有良好的社会效益。

由以上分析可知,波纹管换热器具有良好的经济效益和社会效益。

 

5.结论

由上述分析可以知道,波纹管换热器具有合理的设计结构,较高的换热性能及使用性能,良好的社会效益及经济效益。目前,我公司已经开发生产出多种该系列产品,市场应用前景广泛,竞争力强。所以是一项非常值得大力开发生产的换热器产品。



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