（化工过程机械专业论文）折流板开、扩孔对换热器性能的影响研究.pdf

i i i ll ll ll1 111 11 1 1i ll i il y 18 0 9 8 3 7 v a r i a t i o no fh e a t e x c h a n g e r s p r o p e r t yb yd r i l l i n ga n d e n l a r g i n gt u b e - b o r e sa tb a f f l e s t h e s i s f o r m a s t e r s d e g r e e b y z h u b i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry uj i u y a n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ， w u h a ni n s t i t u t eo fc h e m i c a l t e c h n o l o g y m a y , 2 0 0 5 j，j-l_，1 r 谚 摘要 摘要 采用弓形折流板的管壳式换热器因其结构简单、制造维护方便 及传热效果较好等优点一直被广泛采用，尤其在大型化工企业中应 用更多。在管壳式换热器的壳程设置折流板可以得到较好的壳程传 热效果，此时壳程流体反复横向冲刷管束，增大了流体的湍动，提 高了壳程传热系数，同时对传热管起支承作用。但这种结构和流体 的流动方式存在着如下的缺点：流体反复冲刷管束，容易激发管 束振动，导致换热管破坏；壳程压降较大，不利节能；折流板 背侧存在有流动死区，从而导致传热效果降低，对防垢、防腐也不 利。而在弓形折流板上开孔或对管孔扩孔，能在一定程度上克服上 述不足，是一种简单易行的提高传热效率的方式。 本文对弓形折流板的管桥开孔和管孔扩孔进行了优化试验。对 选定的结构方案做了传热与流阻性能对比评价；然后，通过试验测 得的数据，利用线性回归法对优化结构的折流板管束建立了努塞尔 数n u 和阻力系数毛的关联式。最后采用w e b b 方法，对优化的折流 板管束方案进一步作了传热和阻力性能评价。 试验数据和对比分析评价表明：在管桥开孔优化试验中，方 案1 2 - 8 结构( 其开孔总面积圆缺面积为0 2 5 ) 较优。与未开孔 折流板管束相比，此方案的对数平均温差t ，传热量q 及综合性能 武汉化工学院硕士学位论文 指标q 。ap 均有不同程度的提高，其增幅分别为：3 4 7 5 1 8 ( 2 1 5 2 4 7 ) 、3 1 6 3 9 3 和2 0 9 6 2 5 ；壳程压降p 有 明显降低，其降幅为1 9 4 3 2 1 6 5 ；壳程传热与阻力综合性能n u 。 毛。0 2 9 也提高了4 5 8 5 。在管孔扩孔优化试验中，方案5 一0 2 1 结构( 其扩孔总面积圆缺面积为0 1 3 ) 较优。相对于未扩孔折流板 管束而言，壳程换热系数q 。、对数平均温差at 、传热量q 以及综 合性能指标q 。p 均有不同程度的提高，其增幅分别为：1 2 5 5 、1 5 2 8 ( 0 7 2 1 5 。c ) 、3 2 5 5 和l1 5 1 8 2 ；壳 程压降ap 降低8 5 1 0 7 ；壳程传热阻力综合性能指标( n u 。 毛o o 卫9 ) 提高4 5 7 o 。 关键词：换热器弓形折流板开孔传热流阻 h 每 | c a b s t r a c t a b s tr a c t t h es h e ll - 。a n d 。t u b eh e a te x c h a n g e r sw i t hs e g m e n t a lb a f f l e s h a v e s i m p l e c o n s t r u c t i o na n d c o m p o n e n t sa n dc o n v e n i e n t m a n u f a c t u r e sa n dh i g hh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y ，s ot h e ya r e a l w a y sa d o p t e dw i d e l y ，e s p e c i a li nt h eh e a te x c h a n g e ro ft h e b i gc h e m i c a le n t e r p r i s e sa n dp l a n t s t h et r a n s f e re f f e c to f s h e l l s i d ew i l lg a i nm o r ee f f i c i e n c yw h e ns e t t i n gs e g m e n t a l b a f f l e si nt h en o r m a ls h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e r s b yt h i s o p e r a ti o n ，t h et r a n s v e r s ef l o wf l u s h e st h et u b er e p e a t e d l ys o a st oi n c r e a s eo n f l o wo ft h ef l u i d ，w h i c hw illi n c r e a s et h e h e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y ：m e a n w h il e ，t h es e g m e n t a lb a f f l e s b r a c et h et u b e s b u tt h isk i n do fh e a te x c h a n g e r sa ls oh a s s e v e r a ld is a d v a n t a g e si nt h e i rs t r u c t u r ea n dr u n n i n gs t y l e ： f i r s tt h eo p e r a t i o nt h a tt h ef l u i df l u s h e st h et u b eb u n d l e c o n t i n u o u s l yw i l lm a k et h eb u n d l ev i b r a t es ot h a tt h et u b e s a r e d e s t r o y e d ：s e c o n d ，t h ep r e s s u r ed r o p o fs h e l1 一s i d e i n c r e a s e s ，a n dt h ec o n s u m eo ft h ek i n e t i ce n e r g yi n c r e a s e s ： t h i r d ，t h i so p e r a t i o nw i l lg e n e r a t es o m ed e a da r e a sa tt h eb a c k o fb a f f l e s ，w h i c hr e s u l ti nt h ed r o po ft h el o c a lh e a tt r a n s f e r 1 1 1 武汉化工学院硕士学位论文 c o e f f i c i e n t ，g e n e r a t ed i r ta n ds e r i o u se r o d e w h e r e a s ，t h e o p e r a t i o no fd r i l l i n go re n l a r g et h eb o r e so ft h et u b e sc a n o v e r c o m et h ew e a k n e s s e sa b o v e ，s ot h em e t h o di sas i m p l ew a y t oe n h a n c eh e a tt r a n s f e re f f i cie n c y t h i sa r t i c l ed o e sm a n ye x p e r i m e n t s t o o p t i m i z e t h e d r illi n ga tt h ec o n n e c t i o no fb a f f l e sa n de n l a r g e m e n to ft h e t u b e - b o r e s ，a n dt h ee x p e r i m e n t sa r em a d ef o rc o n t r a s ti n gt h e p r o p e r t ie so fh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o p t h e n ，b ym e a n s o ft h em e a s u r e dd a t ao fe x p e r i m e n t sa n dt h eii n e a rr e g r e s s i o n m e t h o d ，t h ec o n n e c t e de q u a t i o n so fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t a n dr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hb a s e do n t h eo p t i m i z a t i o no f t h es e g m e n t a lb a f f l e s f i n a l l y ，t h i s a r t i c l ed o e st h e r m a lp e r f o r m a n c ea n dr e s i s t a n c ep r o p e r t i e s k o a r i s o nt h r o uh i t i l i z i nt h em e t h o do fw ebbcomparlson t h r o u g hu t l1 z l n gt i l em e t f l o 0 1w e d d b ym e a s u r e dd a t aa n dc o m p a r is o n ，i ts h o wt h a t ：f i r s t ， t h ee x p e r i m e n t so fd r i l l i na tt h em n e c t i o no ftheamongt h e0d r l ll n ga tt h ec o n n e c t l o no i t h e t u b e - b o r e s ，t h ep r o j e c t1 2 一中8 ( t h ep r o p o r t i o n o ft h e d r i l l i n g sa r e at ot h ec i r c l ei n d e n t a t i o ni s0 2 5 ) i st h e o p t i m i z a t i o n c o m p a r i n g t ot h e n o n d r i l l i n gb a f f l e ，t h e o p t i m i z a t i o n sl o g a r i t h m i ca v e r a g ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e t a n dq u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e rqa n dt h ei n t e g r a t e d i v 警q 一 a b s t r a c t p e r f o r m a n c e qo po f t h es h e l l - s i d eh a v ed i f f e r e n t i m p r o v e m e n t s ，w h i c ha r ea sf o l l o w s ：2 1 5 2 4 7 ( 3 4 7 5 1 8 ) 、3 1 6 3 9 3 a n d2 0 9 6 - - 2 5 ：t h ep r e s s u r ed r o p p l o w e rd i s t i n c t l y ，i t ss c o p ei s1 9 4 3 - - - ，2 1 6 5 ：t h ei n t e g r a t e d p e r f o r m a n c e ss c o p eo ft h e r m a la n dr e sis t a n c en u o 毛。o 2 9is 4 5 8 5 s e c o n d ，a m o n gt h ee x p e r i m e n t so fd r illi n ga tt h e c o n n e c t i o no ft h e t u b e b o r e s ，t h ep r o j e c t5 一2 1 ( t h e p r o p o r t i o no ft h ed r i l l i n g sa r e at ot h ec i r c l ei n d e n t a t i o n i s0 1 3 ) i st h eo p t i m i z a t i o n c o m p a r i n gt ot h en o n - d r i l l i n g b a f f l e ，t h eo p t i m i z a t i o n sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t a n d l o g a r i t h m i ca v e r a g ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e t a n d q u a n t i t yo fh e a tt r a n s f e rqa n dt h ei n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e qo po ft h es h e ll s i d eh a v ed i f f e r e n ti m p r o v e m e n t s ，w h i c h a r ea sf o l l o w s ：1 2 5 5 、1 5 2 8 ( o 7 2 1 5 0 ) 、3 2 5 5 a n d11 5 1 8 2 ：t h e p r e s s u r ed r o p pl o w e r d i s t i n c t l y ，i t ss c o p e i s 8 5 1 0 7 ：t h ei n t e g r a t e d p e r f o r m a n c e ss c o p eo ft h e r m a la n dr e sis t a n c en u j 毛o o 约is 4 5 7 o k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e r ；s e g m e n t a lb a f f l e ：d r i l l i n g ； h e a tt r a n s f e r ：f l o wr e s i s t a n c e v r 。q 目录 目录 摘要i 第1 章文献综述1 1 1 管壳式换热器的重要性1 1 2 强化管壳式换热器传热性能的途径1 1 3 高效管壳式换热器研究进展3 1 4 折流板的发展6 1 4 1 折流板的作用6 1 4 2 折流板的形式6 1 4 3 折流板的发展现状8 1 5 课题的提出与意义1 0 1 5 1 开发背景与课题的提出1 0 1 5 2 课题的意义1 2 1 5 3 课题试验方案与内容1 3 第2 章单弓形折流板管壳式换热器传热、流阻机理与理论计算1 4 2 1 结构改进后的弓形折流板改善壳程传热与流阻性能的机理1 4 2 2 传热过程与流阻理论计算1 5 2 2 1 基本假设1 5 v l 武汉化： 学院硕士学位论文 2 2 2 传热过程分析与传热计算方程式1 5 2 2 3 壁温计算1 7 2 2 4 平均温差、当量直径及管、壳程流速的计算1 8 2 2 5 雷诺数及平均努塞尔特数的确定2 0 2 2 6 壳程阻力系数计算2 0 第3 章单弓形折流板结构优化试验研究2 3 3 1 试验流程、设备及仪表2 3 3 2 试验测试参数与测试方法2 4 3 3 评定方法的选定2 5 3 4 试验测试结果与分析2 6 3 4 1 试验测试装置与测试方法可靠性的验证2 6 3 4 2 弓形折流板管桥开孔优化试验与结果分析2 7 3 4 2 1 管桥开孔布局试验与结果分析2 7 3 4 2 2 管桥开孔孔径试验与结果分析3 4 3 4 3 弓形折流板管孔孔径扩大优化试验与结果分析4 0 3 4 3 1 管孔扩孔布局与数量试验研究4 0 3 4 3 2 管孔孔径扩大试验研究4 6 3 4 4 管桥开孔折流板板间距试验与结果分析5 1 第4 章数据关联式的演算、拟合及其分析评价5 5 4 1 数学模型的建立5 5 v n i 参 l 0 目录 4 2 壳程传热系数和阻力系数关系式5 8 4 3 结果比较5 9 4 3 1 折流板管桥开孔方案1 2 - ( p 8 ( e 2 ) 与未开孔方案( a 。) 的壳 程各项性能对比一5 9 4 3 2 折流板管孔扩孑l 方案5 - q ) 2 1 ( b 。) 与其未扩孔方案( a 2 ) 的 壳程各项性能对比，：6 1 第5 章结论与建议：，6 4 5 1 结论6 4 5 2 建议6 5 参考文献6 7 附录1 干空气物性参数表7 3 附录2 试验处理结果数据7 4 附录3 符号说明7 6 致谢7 8 v i l l ， l 【 9 i 0 b i o 笕1 章文献综述 第1 章文献综述 本章要点 概述了强化传热的途径、换热器的发展现状和折流板结构的发 展动态，从而提出研究开发背景，确定了课题的研究目的与内容。 1 1 管壳式换热器的重要性 管壳式换热器主要由管束和管壳构成。其特点是结构简单、可 靠性高、适应性大、用材范围广，处理量大等。据统计，在国内换 热器市场中，管壳式换热器约占7 0 。随着科学技术的不断发展和能 源问题的日益突出，对换热器的设计要求越来越高。除了要满足规 定换热量外，还要求强化传热过程，提高系统的热效率，从而节约 投资和运转费用、提高经济效益或满足某些特殊的工艺要求。 1 2 强化管壳式换热器传热性能的途径 q = k f a t 。即单位时间内的换热量q 与冷热流体的温差t 、传 热面积f 及总传热系数k 成正比。可见，强化传热可以通过增加传 热面积f 、加大传热温差at 或提高传热系数k 这3 个途径来实现。 而研究主要集中在强化管程和壳程传热两方面，即通过改变传热面 的形状和在传热面上或在传热路径设置各种形状的流体推进器或插 入物引。 武汉化】：学院硕十学位论文 ( 1 ) 改变传热面的形状阳- 们 为了同时扩大管内、外的有效传热面积或强化传热，将换热管 的内外表面制成各种不同形状表面，使管内、外流体易于产生湍流， 从而提高传热管的性能。例如对有相变的沸腾传热管，其表面制成 多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，可促进传热膜系数的提高， 并且还有良好的抗污垢能力；而用于无相变强化传热的有横槽管、 螺旋槽管、缩放管和翅片管等，如瑞典a 1 l a r e s 公司开发的偏置折 边翅片管和螺旋扁管，与光管相比，其传热系数可提高l 2 倍1 。 ( 2 ) 设置流路湍流推进器与管内插入物哺1 推进器是在换热元件或其附近设置一个小物体，可以是各种形 状和形式。最常见的是在传热面上等距离设置突起物，通过搅乱流 动来达到强化传热的目的。 管内插入物n 一1 是强化管内单相流体传热行之有效的方法之一。目 前管内插入物种类很多，如螺旋线、纽带、错开纽带、螺旋片和静态 混合器等。最近，英国c a lg a r i nl t d 公司开发的一种称之为h i t r a n m a t r i xe l e m e n t s 花环式插人物阳1 ，它是一种金属丝制翅片管子插入物 ( w i r e - f i nt u b ei n s e r t ) ，能增强湍流。中国石化北京设计院与华南 理工大学联合研制的交叉锯齿型插入物，是华南理工大学对1 2 种内插 件( 在r e - - - - 3 0 0 3 5 0 0 和p r = 1 3 5 范围内) 进行比较后优选的型式，可直 接形成流体的混合，尤其适用高粘度流体的换热。其在上海乙烯厂原 油一蜡油介质换热器中使用，其总传热系数与光滑管相比提高了5 0 。 2 p 第1 章文献综述 ( 3 ) 改变壳程折流结构0 1 5 改变壳程档板或管问支撑物是强化壳程传热的另一途径。先后 开发了单弓形折流板、双档板、三档板、折流板窗口不排管( n t i w ) 和波网( n e s t ) 等新的壳程结构，以及折流杆与弓形折流板复合、 折流杆或空心环与强化管复合、折流杆与整圆形孔板复合和分程隔 板与半折流栅复合等结构。这些改进大大降低了流体在壳程中的阻 力。壳程流体流量足以保证在壳程中以湍流状态下纵向流动，有利 于强化壳程传热。 ( 4 ) 增大平均温差 平均温差的大小主要取决于两流体的温度条件。在考虑到实际工 艺或设备是否允许的情况下，改变冷热流体温度或改变换热流体间的 流动方式如逆流、错流等，就可改变传热温差，但这种方法受生产工 艺、设备条件、环境条件及经济性等方面限制，实际操作有一定局限 性。 i ? 1 3 高效管壳式换热器研究进展 v 譬- 在强化传热技术日益发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位， 且继续向着高温、高压、大型化方向发展，新型高效管壳式换热器 不断出现。 ( 1 ) 螺纹管 螺纹管主要是利用管子的扩展表面增大换热面积，粗糙表面能 武汉化- l ：学院硕士学位论文 促进湍流，一般用于管内传热膜系数比管外大1 2 倍的场合，尤其是 加热管外气体效果较好。c e n t r y “6 3 推荐在折流杆换热器中使用螺纹管 ( 又称低翅管) ，翅片密度为0 7 4 8 1 4 1 7 片姗，翅片高度为0 6 6 1 3 2 m m 。 ( 2 ) 新型麻花管换热器n 7 旧1 瑞典m a r e s 公司开发了一种螺旋扁管换热器，通常称为麻花管 换热器。美国休斯顿的布朗公司做了改进。改进后的麻花管换热器 同传统的管壳式换热器一样简单，但它提高了传热效率，减少了结 垢，达到真正的逆流，无振动，无折流元件，节省了空间，降低了 成本。洛阳石油化工研究院近年也研制出了这种换热器，武汉某地 已在制造和应用。 ( 3 ) 空心环管壳式换热器他饥2 u 空心环管壳换热器是华南理工大学发明的一种新型管壳式换热 器，已获得国家专利。长沙化工机械厂设计制造的横纹管空心环管壳 换热器使用横放管作为传热管，空心环作为支撑形式，已成功地应用 于小型氮肥厂。在某化肥厂应用与原光管换热器相比，换热面积减小 6 8 ，抗振性能好。 ( 4 ) 螺旋折流片换热器陇1 在螺旋片式管壳式换热器中，螺旋片不仅可强化壳侧传热，同时 还可对管束起到支撑和保持相邻管子间距作用，从而取代了传统的弓 形折流板支撑。螺旋片诱导的涡旋流场对壳侧的对流换热有强化作 4 ， 譬 峥 筇l 章文献综述 用，其本身与传热管的接触也对强化传热有利。文献 2 3 表明，螺旋 片换热器的传热系数随着螺旋角的增大而平缓增大，流动阻力损失则 随着螺旋角的增大而迅速上升。 ( 5 ) 折流杆换热器幢卜2 美国在上世纪7 0 年代初为解决换热器管束振动开发了折流杆换 热器，它是一种以折流栅代替折流板改善传热性能的管壳式换热器。 它与传统的折流板换热器相比，不仅彻底消除了管子的震动问题，强 化了壳程传热性能。而且壳程压降降低，管束刚性增强，重量减轻， 结垢减弱，清理更加方便。随后华东理工大学化工机械研究所研制开 发的一种新型换热器波形折流杆换热器幢引，把折流直杆变成波形折流 杆，该结构克服了直圆钢杆、直扁钢条作为折流杆造成布管松散的缺 陷，能使换热器的布管仍然采用g b l 5 1 1 9 9 9 管壳式换热制要求 的正三角形布管方式，因而结构更加紧凑，单位体积内的传热面积增 大，传热性能自然优于折流直杆换热器。 ( 6 ) 纵向流管壳式换热器 纵向流管壳式换热器系指在管束支撑物作用下壳程流体呈纵向 流动的一类换热器。其突出特点是：壳程流体纵向冲刷管束，与管程 流体实现了完全逆流，因而有效温差大，无传热死区，避免了流体横 向冲刷管束时引起的诱导振动，支撑物对壳程流体扰动可强化传热。 郑州大学热能工程研究中心承担的国家“九五”重大科技攻关项目， 对新型纵流壳程换热器进行了数值模拟和试验研究，并开发出具有 s 武汉化一l 二学院硕士学位论文 自主版权的c a d 参数化绘图系统，提高了该换热器的性能和设计效率。 1 4 折流板的发展 1 4 1 折流板的作用 设置折流板的主要目的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的 传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的。同时，折流板对于卧 式换热器的换热管还具有支撑作用。当换热管过长，在满足换热器壳 程允许压降的情况下，增加折流板的数量，减小折流板的间距，对减 小管束的纵向弯曲和减小流体流动诱发振动有一定的作用。 折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，并提 高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。 1 4 2 折流板的形式 折流板的形式可分为弓形( 圆缺形) 折流板、盘环形折流板、孔 式折流板等。弓形折流板又可分为单弓形和双弓形两种结构，一般单 弓形采用较多。 弓形折流板：弓形折流板可分为横缺形、竖缺形和阻液形三种。 横缺形折流板适用于无相变的对流传热，防止壳程流体平行于管束流 动，减少壳程底部液体的沉积。当壳程用于冷凝操作时，横缺形折流 板的底部应开排液孔，孔的大小决定于液量的多少。但往往由于排液 孔的不适当而产生液泛和气相旁流。因而在壳程进行冷凝操作时，一 6 r 皆 备 q 第1 章文献综述 般采用竖缺形折流板。阻液形折流极由于下部有一个液封区，可以用 于带有冷却的冷凝操作。弓形折流板的缺口高度可为直径的1 0 一- - 4 0 ， 现在通用的高度为直径的2 5 。实际上在相同的压力降下，圆缺高度 为直径的2 0 的折流板具有最好的传热效率。换热器流量很大时，为 了得到较好的错流和避免流体诱发振动，常常取掉缺口处的管子，称 为弓形区不布管，但这样会使排管减少。 盘环形折流板：盘环形折流板允许通过的流量大，压降小，但传 热效率不如弓形折流板，因此这种折流板多用于要求压降小的情况。 孔式折流板：孔式折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙 流动，以增加传热效率。这种折流板仅适用于较清洁的流体。 螺旋折流板：在管壳式换热器中，壳程是一个薄弱环节。通常普 通的弓形折流板能造成曲折的流道系统( z 字形流道) ，这样会导致较 大的死角和相对高的返混，对传热不利。且这些死角还能造成壳程结 垢加剧。19 8 3 年，l u t c h a 和n e m c a n s k y 首先提出使壳程流体作螺旋 运动来强化换热器壳侧的传热性能，并开始着手从事螺旋隔板换热器 的试验研究b 训。近年来，美国提出了螺旋折流板换热器，这种换热器 设计的先进性已为流体动力学研究和传热试验结果所证实，已获得专 利权。此种结构克服了普通折流板的主要缺点b k3 2 3 引。螺旋折流板的 设计原理很简单，它是将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统 中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一，其倾角朝向换热 器的轴线，即与换热器轴线保持一倾斜度。相邻折流板的周边相接， 7 武汉化工学院硕一仁学 奇= 论文 与外圆处成连续螺旋状，折流板的轴向重叠。如欲缩小支持管子的跨 度，也可得到双螺旋设计。螺旋折流板结构可满足相对宽的工艺条件。 此种设计具有很大的灵活性，可针对不同操作条件，选取最佳的螺旋 角；可分别情况选用重叠折流板或是双螺旋折流板结构。 1 4 3 折流板的发展现状 目前除采用单弓形折流板外，近2 0 多年来出现了许多新型的壳 程折流板支承结构，如多弓形折流板、整圆形板、异形孔板、网状 板等。这些新型折流板支承结构的共同特点是尽可能地变单弓形折 流板支承的横向流动部分或全部为平行于管子的纵向流动，消除壳 程流体流动的传热死区，降低壳程流体阻力，提高流速，从而使积 垢和腐蚀减轻；且在壳体直径与长度基本相同的条件下，壳程的传 热综合性能q p 提高，管束的抗振性能得到增强引。 ( 1 ) 整圆形折流板 整圆形折流板板上不开缺口，板上钻大圆孔，既让管子穿过， 又有足够的间隙让流体通过。其特点是：制造方便，孔板为整圆，其 死区和弯路少，压降低，传热面积可获得充分利用。管内外流体总体 呈纵向流动，可做成全逆流式，传热温差推动力大。由于孔板与管 壁构成的圆环形间隙通道对流体可产生射流作用，使流体离开孔口 很快就形成湍流。并且射流的流体对周围的流体产生卷吸作用，所以 在低雷诺数下壳程流体就可以达到局部湍流。另外，在管外壁流体 8 乏l 芦 婶 第l 章文献综述 产生平丽贴壁射流，射孔中流体流速高，在一定跨距内冲刷和减薄 了传热液膜的边界层，仗壁面不易结垢，对强化传热有利。 ( 2 ) 带小孔的整圆形折流板 为改进整圆形折流板的不足，出现了带小孔的整圆形折流板。 在管孔中间开小孔，使介质由小孔通过折流板( 图卜a ) ，这样就 不用增大壳体的直径了。壳程流体为纵向流动，流速可大大提高， 且折流板的间距比单弓形减小，可利用高流速和流体通过折流板时 的扰动来提高壳程传热速率。在相同流速下，其壳程的压力降比单 弓形折流板要小得多。 ( 3 ) 异形孔整圆形折流板 带小孔的整圆形折流板在管孔与管子之间的间隙内易积存杂质， 引起管子结垢及垢下腐蚀。为了弥补这一缺陷，将介质流经折流板 小孔的通道移至折流板的管孔与管子之间。于是，又出现了矩形孔 ( 图卜b ) 和梅花孔( 图卜c ) 等异形孔的折流板结构。它们既能支 承管子，又能使介质流过折流板。当介质流经折流板管孔时，能产 生射流，对管子有冲刷和自洁作用。管孔与管子之间不能积存流体 杂质，从而消除了管子结垢和垢下腐蚀。异形孔折流板除防垢性能 良好外，它还具有压降低、传热性能好、能使管子得到充分的支承、 防振性能良好等优点。 ( 4 ) 网状整圆形折流板 这种网状板是由德国g r i m m a 公司首次在1 9 9 1 年化工机械世界 o 武汉化工学院硕士学位论文 性展览会上展出的一种新结构。该公司用不同粘度的甘油和水混合 物进行实验，结果表明，在中、低粘度范围内，这种纵流管束换热 器的传热效果明显优于传统的单弓形折流板换热器。 ： 霾侧 姻婆 、 a 开小孔的整圆形折流板b 矩形孔整圆形折流板c 梅花孔整圆形折流板d 网状折流板 图1 - 1 1 5 课题的提出与意义 1 5 1 开发背景与课题的提出 管壳式换热器壳程良好的传热效果往往是通过壳程设置折流板 而得到的。此时壳程流体反复横向冲刷管束，增大了流体的湍动， 提高了壳程传热系数，同时对传热管起到了支承作用。但这种结构 和流体的流动方式存在着如下的缺点： 流体反复冲刷管束，容易激发管束振动，即产生换热器的流 体诱导振动，在介质流速高时，换热管易遭受破坏； 流体反复冲刷管束并不断改变流体方向，因而产生较大的形 体阻力，使压降增大，动力耗能增加： 存在着较大的流动死区而导致局部传热系数降低及结垢、腐 1 0 j p 第l 章文献综述 蚀。 但采用单弓形折流板的管壳式换热器，因其结构简单、制造维护 方便、可靠性高和造价低廉等优点，目前在炼油、化工等企业中仍在 广泛使用，因此对弓形折流板进行改进或优化仍具实用意义和经济效 益。文献 3 5 报道，通过对单弓形折流板的顶部钻孔，壳程传热系数 能够提高5 5 ；而且在化肥厂中，也曾有通过在折流板上钻孔的方 法，来提高换热器的传热性能的实例。然而这些点评和生产经验，多 缺乏定量的实验研究和论证，对推广应用不利。 f e 图1 - 2 流路模型 美国传热公司( h t r i ) 建立了如图卜2 所示的弓形折流板换热器 壳侧流体流动的“流路 模型啪3 ，把壳程流划分成a 、b 、c 、e 四个 平行的流路。a 流路是折流板管孔与换热管间的泄漏流路，主要呈纵 向流；e 是折流板与壳内壁之间的泄漏流路，也呈纵向流。a 、e 流路 均穿过折流板- n 的滞流区，对流体滞流具有减弱或消除作用，其中 武汉化工学院硕士学位论文 a 流路起主导作用。但在实际换热器中，折流板管孔与管子问的间隙 很小，运行一定时间后，该间隙多被堵塞，使a 流路不复存在。若采 用扩大折流板管孔来保持a 流路的持久存在，则会因间隙过大，使换 热管的诱导振幅增大b 卜加1 ，对防振不利。 如前面所述，开小圆孔整圆形折流板，异形孔整圆形折流板可有 效的克服上述缺点，但是也存在不足的地方。它会使折流板的加工不 够便捷；同时，它对管壳式换热器的壳程换热性能的改进程度，其定 量研究论证尚显不足，难以从换热性能和经济等方面进行综合评价。 基于上述原因，为了能更好的解决传统单弓形管壳式换热器的不 足，我们认为在弓形折流板上适当开孔，来强化管壳式换热器的壳程 传热，是一种行之有效的简易方法。 根据文献对一定条件下的研究n ，在折流板开孔后，换热器的 对数平均温差t 较未开孔时提高了2 0c ，壳程传热系数较未开孔时 提高了6 5 ，壳程压降较未开孔时降低了3 6 - - - 4 0 ，壳程综合 性能a p 较未开孔时提高了3 3 - 3 8 。这表明，折流板适 当开孔后可使传热性能有一定程度的提高，壳程压降则有较显著的 下降，具有节能降耗效果。 1 5 2 课题的意义 对现有的管壳式换热器所采用的单弓形折流板稍作开孔改进， 1 2 r p 笕i 章文献综述 可在一定程度上提高传热效率，较明显的降低壳程压降和提高其综 合性能指标，节能降耗的效果较为显著：且仅对弓形折流板进行适 当开孔，简单易行，而造价却增加甚微。这对于在企业中应用面宽、 量大的管壳式换热器来说，其实际意义是显而易见的。 1 5 3 课题试验方案与内容 ( 1 ) 在单弓形折流板管桥开孔，进行开孔布局试验研究，并与 未开孔的折流板进行对比，在所选定的试验方案中找出较为合理的 开孔布局方案。 ( 2 ) 采用( 1 ) 中得出的合理布局方案，对单弓形折流板进行管 桥开孔孔径试验研究，并与未开孔的折流板进行对比，在所选定的 试验方案中找出较为合理的开孔孔径方案。 ( 3 ) 将单弓形折流板管孔扩大，进行扩孔布局试验研究，并与 未扩孔的折流板进行对比，在所选定的试验方案中找出较为合理的 扩孔布局方案。 ( 4 ) 采用( 3 ) 中得出的合理布局，对单弓形折流板进行扩孔孔 径试验，并与未开孔的折流板进行对比，找出较为合理的扩孔孔径。 ( 5 ) 改变管桥开孔折流板间距，对其分别进行试验，并加以对 比，得出管桥开孔折流板间距对管壳式换热器换热性能的影响。 ( 6 ) 通过对相关数据进行拟合，建立试验优化方案的传热与流 阻理论计算关联式，为实际工程设计提供计算基础。 1 3 武汉化工学院硕士学位论文 第2 章单弓形折流板管壳式换热器传热、流阻机理与理论计算 本章要点 从流体边界层理论分析了传热机理，运用传热学和流体力学理 论，建立了数学模型，并结合动量方程和能量守恒方程，导出了换热 器壳程的传热系数和压降计算式。 2 1 结构改进后的弓形折流板改善壳程传热与流阻性能的机理 在设置有单弓形折流板的管壳式换热器中，存在以下缺点：在 折流板侧存在着滞流死区，不利于传热和防垢；流体反复横向流过 管束，不仅增大了壳程压降，且易激发管束振动，导致换热管破坏。 而在折流板管桥适当部位开适当数量和孔径的孔或将适当部位和数 量的管孔扩大到适当孔径后，就传热方面而言，一者减少或消除壳程 流动与传热的滞流死区，使传热面积得到充分利用：二者由于管孔与 管壁构成的团环形间隙通道对流体可产生射流作用，使流体离开孔口 很快就形成湍流。并且射流的流体对周围的流体产生卷吸作用，所以 在低雷诺数下壳程流体就可以达到局部湍流。另外，在管外壁流体产 生平面贴壁射流，射孔中流体流速高，在一定跨距内冲刷和减薄了传 热浓膜的边界层，使壁面不易结垢，强化传热。就流阻而言，无论是 在折流板管桥开孔还是扩大管孔，均增加了壳程流体的纵向流通面 1 4 第2 章单弓形折流扳管壳式换热器传热、流脚l 机理0 理论计锋 积，变单弓形折流板支承的横向流动为平行于管子的部分纵向流动， 从而降低壳程流体阻力，进而可以提高流速，使积垢和腐蚀减少，且 在壳体直径与长度不变的条件下，使壳程的传热综合性能得到一定程 度的提高。 2 2 传热过程与流阻理论计算 2 2 1 基本假设 由于本论文试验主要是在实验室内完成，为了使可控制温度范 围广，使用方便，安全清洁，试验采用电加热并以空气为热交换介 质，以鼓风机作为动力，使空气在管束中强制流动。流体无相变， 传热过程主要是间壁式换热。为分析和计算方便，现假设空气为理 想化连续性流体，试验为稳定传热。由于试验换热设备中管子壁面 比较薄且光洁无污物，故忽略管壁的热传导( 即将管径比d 。d ；近似 看作为1 ，忽略壁面热阻，不考虑污垢系数) 和自然对流传热作用， 而主要建立强制对流传热理论计算式。 2 2 2 传热过程分析与传热计算方程式棚川1 本文试验中，热流体走管程放出热量，温度从高温降至低温： 冷流体走壳程吸收热量，温度由初始低温升至高温。 如图2 1 所示，在换热器内，冷、热流体间热量传递由三个过 程组成m 1 。 l5 武汉化： 学院硕士学位论文 1 热量q 首先由热流体主体以对流的方式传递到管内侧壁面 1 ，使其本身的温度由t 下降至t 。所传递的热量q 与传热面积f 及 温差成正比，即 q = 口，f ( 乙一瓦) ( 2 一1 ) 热流 q i 裂 r 、- 一 传热壁 i i l t - 。、 ；：；! t 。 川批 一h 一 图2 一l 流体通过管壁的传热过程 2 传递到壁面1 的热量q 又以热传导的方式，通过厚度为b 的 管壁层传至外侧壁面2 ，其温度由t 下降至t ，其计算式为 q = 孚f ( l 一，。) ( 2 - 2 ) 口 3 最后热量q 由外侧壁面2 以对流的方式传递到冷流体主体， 并使其温度由t 降至t 。其计算式为 q = 口。f ( f 。一f ，) 将式( 2 1 ) 和( 2 3 ) 代入( 2 - 2 ) 整理得 q = t 之1 f ( l _ ，_ ) 口j a 口。 1 6 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 堡三童二垫兰堡鲨垡坠墅量塞墨整燮垫：堕塑垫型兰型笙望：堡 将式( 2 4 ) 与传热基本方程式 q ：鲋 ，。比较，即得 尺= 丁 ( 2 - 5 ) 1 l 6 + + 0 【| 九a o 再根据热量衡算方程式 q 2 聊，c ，( 石一疋) = 聊，：c p ：( ，：一，。)( 2 6 ) 由试验中测得的管、壳程进出口温度及壁温，可求得传热量，并由 此求得总传热系数k 及管、壳程的传热系数。 2 2 3 壁温计算 在对壳式换热器进行传热计算时，需测量管壁温度，然而管束 壁温采用试验的方法较为难测。本试验采用下面估算迭代法来计算 壁温。 根据迭代法计算要求，先假设管程与壳程壁温t ，、t ，使之与冷、 热流体定性温度t - 、t 满足t t 的关系，同时可由( 2 一1 ) 与( 2 - 3 ) 式 口： 望 。 曩( l 一) 铲焉： 计算出a ；、q 。对于圆管由传热系数计算式m 3 击：上4 - 车一s t 堕+ 立一= 一一_ 二_ l 一，u k 。c o 九d m a ? 4d t 17 武汉化丁学院硕士学位论文 求出k 值，将算得k 值代入传热基本方程式q = k f a f 。