管壳式换热器新型管支撑结构在传热强化方面的进展

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-11-23 17:27:54 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器 传热


    目前管壳式换热器广泛应用于能源动力,石油化工等行业,随着能源危机出现,对能源利用,节约要求的提高使得改善换热器效能显得尤为重要。而大多数管壳式换热器的传热阻力都往往来自于壳侧,而传统的管壳式换热器大多采用单弓形隔板支撑,这样使流体呈“z”型流动,这种流动方式促成在隔板和管壁相连处存在流动死区,降低换热器的传热性能。同时,流体在弓形隔板间的分离引起动量的急剧变化造成压力的严重损失。在隔板与壳体或(和)换热管之间存在严重的旁路流和泄漏流现象,降低流体的有效质量流速。为了改善流体在壳侧的传热性能,一些新型壳侧支撑结构也不断出现。同时CFD技术作为可以弥补试验不足、利于研究瞬态速度场和温度场的新方法,对于研究管壳式换热器也有着很好的应用前景。

1新型管支撑结构

1.1内外导流筒结构

    这是开发和应用都比较早的一种壳侧结构形式,它的主要作用是最大限度的提高换热器进出II区的传热性能。外导流筒(见图1.a)管壳式高效换热器在强化传热、增加布管区削减不利空间、提高紧凑性、补偿温差应力、改善流体分布状况、控制流体诱导振动以及设备大型化等方面都具有独特的优势。外导流筒由大柱壳、正环壳、截锥壳、负环壳和小柱壳五部分组成,结构较复杂⋯。因而目前主要以应用外导流筒为主,并与其他强化元件结合使用。内导流筒(见图1-b)具有结构简单,设备造价较低,易于推广应用等优点,因此将内导流筒和折流板管束换热器结合使用应用于化工行业是比较普遍的,它可以弥补外导流筒结构复杂的缺点,用于冷凝器中传热和流阻性能都比较好 l。然而内导流筒的开孔率、内导流筒与壳壁的间距和开口区域角对换热器的流阻都有很大的影响,需要在应用时慎重选择 l。

    

1.2折流杆式换热器

    折流杆式换热器(见图2)由排布的支撑杆和其他元件形成折流栅来代替折流板而使流体在壳程形成一系列折流,这样既可以防震,还可以增加流动介质的湍流度,提高管问给热系数。壳侧流体是做平行管束的轴向运动,这种平行流动的流速会较低,换热效果会比较差,但是流体流经折流杆以后,能产生漩涡尾流,增大湍流度,进而强化传热。另外由于流体在壳侧以轴向形式流动,因此流动阻力很低,使得折流杆式换热器压降很低,不到弓形隔板的1/4,总传热系数与弓形隔板相比可提高0.3~1.4倍,气.气折流杆换热器和应用于有相变和无相变

的折流杆螺旋槽管再沸器,在使用中都获得较满意的效果 。 

    正是由于折流杆换热器采用先进的传热技术和结构型式,因此具有传热系数大、流体阻力小、抗振性能好、节能降耗、设备紧凑、安装方便等优良特性。该换热器用于压缩机级问冷却,替代套管式换热器,其优点更突出、节能效果更显著 。折流杆换热器的弱点就在于它制造方面的困难,这种换热器中折流圈很多,而且折流圈上有很多折流杆,制造折流圈和布置折流杆在工艺上都是有困难的川。

    

1.3异型隔板换热器

    异形隔板 是通过对隔板的结构和布置的改变来引起壳侧流体流动速度和流型的变化,从而减少壳侧易结垢的换热死区来提高换热系数。隔板在列管式换热器中还有支撑管子,实现流体预期速度,减少管子震动的作用。目前常见的异形隔板换热器形式主要有:双弓形隔板,螺旋形隔板,矩形孔板、改进型矩形孔板和梅花孔板等。

    双弓形隔板(见图3)包括A型(双弓形隔板)和B型(中心隔板),A型与B型隔板沿管束方向交替排列。双弓形隔板换热器与间距和缺II相同的单弓型隔板换热器相比,其压降为后者的0.3~0.5,传热系数为后者的0.6~0.8。尽管压降和传热系数均有所下降,但总体的传热性能是提高的。

    

    孔板式换热器是一种新型的管壳式换热器,它用多孔的整圆孔板代替常见的单弓形隔板或者新型的折流板。它具有无流动死区和贴壁射流的优点。因为折流板开孔分布均匀,流体呈纵向流动,使得流动死区少而且充分利用了传热面积。而孔板与管壁之间形成的异型小孔或环隙通道,使流体产生贴壁射流现象,使得流体离开小孔后很快可以在低雷诺数下达到湍流,并可以在高流速下,冲刷壁面,减少污垢热阻,强化传热” 。德国GRIMMA公司制造的一种网状整圆形折流板换热器,传热效果优于传统的弓形隔板换热器。

    

    螺旋隔板换热器(见图4)是一种高效,紧凑的换热设备,其性能优于其它类型的管壳式换热器。螺旋隔板换热器的构造可以解决普通弓形隔板换热器的种种弊端。螺旋隔板换热器中流体在壳程作螺旋运动,流体在流道内流动长度增加且流动平滑,因而在流道中流速和压差分布比较均匀,从而带来一系列优点:挡板和管束或(和)壳壁之间的泄漏流和旁路流及反混现象会大量的减少且对传热的影响减弱;基本消除了流动死区,提高了换热器的抗垢性能和壳程的传热系数并降低了压降。此外这种结构还能增强管柬的稳定性,防止震动。实验结果表面,螺旋隔壁换热器应用于空气冷却器,水蒸气拎凝器、油冷器的传热效果都明显优于普通弓形隔壁换热器0 J4-J sl。

1.4空心环结构

    图5是管壳式换热器空心环支撑结构的示意图 ,这种管壳式换热器以强化管型作为换热管,空隙率大,流动阻力比较小,流体的压降表现为在粗糙壁面上流体湍流度增强,进而强化传热。也就是说,流体动力不是完全的损耗掉了。而且用这种结构形式代替折流板,能够降低换热器钢材的消耗量,可以减少35~50%,还可以使气体压降减少30~40%。这种结构是由华南理工大学化工学院传热强化与过程节能重点实验室邓先和等人发明,解决了石油化工等行业应用的传统管壳式换热器的种种弊端,例如传热性能差、钢材耗量大、流阻比较大,系统整体耗电量大等 ”

    

2 CFD技术的应用

    CFD是在实验和解析之后又一种研究流体流动、传热和化学反应的方法,可以弥补试验耗资大、周期长等缺点,运用CFD技术对管壳式换热器的壳侧流场进行计算机模拟,可以对其他方法难以掌握的壳侧瞬态的温度场和速度场有所了解,利于换热器的机理分析和结构优化。目前比较常见的模拟软件主要有phoenics,fluent等,利用模拟软件进行模拟,使CFD技术与实验研究相辅相成,以便更好地进行壳程流体流动的分析和设计优化。

    例如通过对立式螺旋隔板换热器壳侧的模拟结果 与弓形隔板换热器壳侧的流动分布来比较它们结构的不同所引起的性能的优劣。

    图6则分别为立式螺旋隔板(螺旋角为30o)和弓形隔板流体流动的正面同侧面视图,从图中可以看出,同弓形隔板相比,螺旋隔板这种管束支撑结构应用于立式换热器主要具有以下几方面的优点:

(1)大大的减少了旁路流的问题;

(2)重力作用下,流体更有效的冲刷壁面使流体在贴近管壁处沿着壁面流动,而弓彤隔板会产生大量的流动死区;

(3)流体对弓形隔板的撞击更大,这样会导致板的震动和压降损失。

   
 



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