内展翅片换热器应用

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-30 9:21:43 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器 传热

内展翅片换热器是针对气(汽) ———液换热过程的各项热阻的特点,在管内轴向胀接波纹形翅片来强化换热的,有效地提高整体换热效率,并且可以承受高压而不发生翅片脱落现象。面对日益紧缺的水资源,它的应用将带来巨大的社会效益和经济效益。
关键词 内展翅片换热器 传热系 数气(汽) ———液换热
1  换热器应用现状简析
根据传热学可知,强化传热过程,提高传热速率,可从以下几方面采取措施:
(1) 增大传热面积———增大传热面积是加大单位时间传热量的有效方法之一,这常用于传热膜系数小的流体这一侧,一般采用翅片管或翅片壁面。
  为使热量充分交换,热交换器要有足够的换热面积,但过多的换热面积是不恰当的,因为它提高了设备费用,而在冷热流体量一定时的换热量并不随换热面积增大而成正比的增大。
(2) 提高传热温差———为得到较高的传热温差,应尽量选用逆流操作,只是在防止最终过热或过冷时才采用并流。
  提高传热温差的另一种方法是提高加热流体的温度或降低冷却用流体的温度,但这往往受到客观条件的限制。高温和低温在工业技术上都有可能获得,但从经济角度和节约能源考虑,生产中很少采用过高温度或低温冷冻。
(3) 提高传热系数K———提高传热系数K的
  数值取决于各项热阻总和的大小。当两侧流体的热阻相差悬殊时,应尽量减少传热膜系数α值小的一侧流体的热阻,如加大该侧流体的流速,促进该侧流体的湍流程度等。若两侧流体的α值相近并均较小,则应同时设法减少两侧热阻。此外如果管壁有污垢,具有较大的热阻,需要予以清洗。
  提高传热效率的另一措施是选择传热膜系数高的载体,如采用熔盐、液态金属等。在通常情况下,外界客观条件受到限制,提高传热温差几乎在现实设备运行中不予采纳。
目前广泛应用的换热器主要有:列管式、螺旋板式、板式和肋片(外翅) 式等几种。在这些换热设备中,热量由高温流体传给低温流体过程中的主要阻力(热阻) 来自于以下几个方面:两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热热阻、管壁本身的热阻以及两侧介质的污垢热阻,一般换热器都采用金属薄壁作为换热面,这样管壁本身的热阻就是非常小的,强化换热的潜力不大。这样强化换热器的换热性能主要就是要强化两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热热阻。如果不考虑介质污垢系数,忽略管壁热阻,这时传热系数可以写成下列形式:
K = 1/ (1/α1 + 1/α2) = (α1 ·α2) / (α1 +α2)
  从上式可以看出K 值必定小于α1 和α2 的值,而且它比二者中较小的一个还要小,所以在增加传热的时候,必须增大α中较小的一项(或减小最大热阻项) 才能有效地增大传热系数。在通常使用的工况中,一些换热介质之间的换热系数相差较大,特别是气(汽) —液换热器中,一般气(汽)体的对流换热系数在10 - 70W(m2·℃) ,而液体(以水为例) 一般可以达到4800 - 8000W/ (m2·℃) ,二者相差上百倍,在常规换热器内(如列管式、螺旋板式等) 换热壁两侧面积基本相等,这样就造成导热面积相等,由于交换介质导热系数不同从而导致热交换不平衡,使总传热系数低,热交换效果不佳,同时造成能源的浪费。而对于外展翅片来说,虽能解决热交换不平衡的问题,但是由于外表面积加大而冷却水管内一侧的面积却很小,一般为Dg15 的管,展开面积很小,致使冷却水的用量必须加大,同样也造成能源浪费,而且不能承受高压的特性决定其自身应用的局限性。
2  内展翅片换热器的相关特性
  内展翅片换热器是针对气(汽) —液工况热交换介质的传热性能,通过在换热管内加上翅片来加强管内低换热系数介质换热,达到提高整体传热系数的目的,从而有效地解决了因为热交换介质换热系数差距较大造成的热不平衡问题,并且大幅度的降低了冷却水的消耗量。
作为换热核心的内展翅片换热管(如图1 所示) 主要有部分构成: (1) 翅片:是换热管决定翅化系数的主要部件。(2) 管壳: 是换热管的外壳壳体。(3) 管芯:位于换热管管中心换热死区。

  内展翅片换热器在气(汽) ———液换热管换热器相比其主要特点有:
(1) 流换热系数低的流体(如气体) 走管侧,对流换热系数高的流体(如水) 走壳侧,由于气体走管内,所以可以承受高压;
(2) 内翅片的翅化系数可达1 :7. 4 ,总传热系数大大提高, 相对光管换热器换热效率提高32 % ,节水率可达85 %;
(3) 换热器体积小,相对常规换热器体积要小50 % —70 %;
(4) 投资省,回报期短;结垢慢,清洗周期长,用户维护成本低;
(5) 由于气体走管侧且翅片为一整体沿换热管轴向延伸,因此消除了翅片及换热管的震动及运行噪音也避免了高肋外翅片管翅片容易脱落的缺点;
(6) 由于翅片在换热管内,换热器的制造工艺与传统的光管换热器完全相同,避免了外翅片处换热管穿管时容易倒翅及与壳侧折流板的相对位置无法确定的缺点;
(7) 换热器的结构设计及热力性能计算简单。
  内展翅片换热器是通过在管内胀接镶嵌内波纹形翅片,有效地增大传热面积;让传热膜系数α值小的一侧流体走管程,使两侧流体的热阻趋于相等,从而提高整体传热系数K。在加工工艺方面,液压胀接不存在焊接的热阻死点,而且内翅管的多流通道使得管内介质热交换接触面积大,传热效果相对于其它内翅换热器更能发挥其高效换热、节能的优势。在结构方面,管中心的支撑管在介质入口端,加易于导流的锥形封头,使介质以均流进入管内换热;而镶嵌的波纹内翅在保证增大换热面积的同时,因其自身的弧线线条及高精度的翅片表面,即使是小通道流通,其阻力相对较小,一般管内气态流通时的压力降是同等光管使用工况下的3~6 倍左右。
  相对于其它各种形式的内翅换热管,其创新之处在于最大限度的增大单位换热交换面积,使得换热效率高,节能节水效果显著,而沿轴向布置翅片特殊的结构使得内展翅片换热管可以承受高压而不发生翅片脱落现象,设备运行安全可靠。并且液压胀接的方式,使得管内不存在焊接的热阻死点,多流通道增大管内介质热交换接触面积;传热效果相对于其它内翅换热器更能发挥其高效换热、节能的优势。
  在换热器整体结构设计方面,内展翅片换热器的冷却水走壳程,由于水的不断折流扰动,不易形成水垢;另外,高压气体走管程,而管程介质的高温高压,流速较大,污垢系数较小的性质,决定了内展翅片换热器的清洗周期较长,使设备维护成本得以降低。
3  内展翅片换热管的应用试验及参考数据
  下面以哈尔滨市经济贸易委员会节能技术服务中心用空气水冷却内展翅片管与普通光管1 米单管试验对产品作了能效对比试验测试的技术鉴定为例,相关数据及K值比较分析如下:

  (1) 对于光管的K值计算如下:热交换量:
Q = ( t2 - t1) ×GW ×CP = (10 - 8) ℃×(2.5 ×60) kg/ h ×1 kcal/ kg ·℃ = 300 kcal/ h
对数平均温差:
Δtm =( T1 - t2) - ( T1 - t1)/1 n[( T1 - t2)/( T2 - t1)]=(140 - 10) - (56 - 8)/1 n[(140 - 10)/(56 - 8)]= 82. 33 ℃
换热面积:A = d0 ×π×L = 0. 032 ×3. 141 ×1 = 0. 10048 m2
总换热系数:
K =Q/Δtm ×A=300×36. 3 /82. 33 ×0. 10048kcal/ m2·h ·℃
(2) 对于内展翅片管的K值计算如下:热交换量:
Q = ( t2 - t1) ×GW ×CP = (50 - 8) ℃×(0.38 ×60) kg/ h ×1 kcal/ kg ·℃ = 957. 6 kcal/ h
对数平均温差:
Δtm =( T1 - t2) - ( T1 - t1)1 n[( T1 - t2)/( T2 - t1)]= 43. 7 ℃
换热面积:A = d0 ×π×L = 0. 032 ×3. 141 ×1 = 0. 10048 m2
总换热系数:
K =Q/Δtm ×A=957. 6×218 /43. 7 ×0. 10048kcal/ m2 ·h ·℃
根据以上分析得出内展翅片换热管相对于光管换热效率提高了32 % ,节水率可达87 %。
4  内展翅片换热器应用综合效益分析
  以某化肥厂2002 年换热器改造项目为例,将投入运行后的内展翅片换热器与原列管换热器的主要参数对比如下:

5  结论
  内展翅片换热器是针对换热过程的各项热阻的特点,用高效的内展翅片来强化换热的,有效的地提高了整体换热效率,节能节水效果显著,可以承受高压而不发生翅片脱落现象,设备运行安全可靠。面对日益紧缺的水资源,内展翅片换热器的应用将带来很大的社会经济效益。



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