传热学三分螺旋折流板换热器.ppt

强化传热技术 2020 1 12 三分螺旋折流板换热器陈亚平ypgchen 换热器 热交换器 是实现能量传递转换的设备 绝大多数都是管壳式换热器 70 左右 管壳式换热器的优点是适合高温高压 处理量大 适用性强 制造方便 结构简单 虽然其紧凑性不如板式换热器和板翅式换热器等 强化传热技术 2020 1 12 弓形折流板换热器 传统弓形折流板管壳式换热器存在有流动死区 流动阻力较大 传热系数较低 以及在缺口处管束支撑跨距较大 容易诱导管束振动破坏等缺点 死区 强化传热技术 2020 1 12 弓形折流板换热器中的流动螺旋折流板换热器中的流动 强化传热技术 2020 1 12 理想 连续 螺旋折流板换热器 理想螺旋折流板是曲面 制造困难 强化传热技术 2020 1 12 捷克的Lutcha J 等发明的1 4扇形折流板方案 特点 以倾斜平板替代螺旋曲面板 适合用于正方形排列管束方案 用于正三角形排列管束方案时不方便 而后者占管壳式换热器的绝大多数 强化传热技术 2020 1 12 国外的一些应用 1 4螺旋折流板换热器专利被美国ABB公司买断 近期该项技术又转让给CB I公司 石化企业Shell and tubeheatexchanger 强化传热技术 2020 1 12 电厂Powerplantapplication 强化传热技术 2020 1 12 原油预热Crudepreheattrain SlovakRepublic 强化传热技术 2020 1 12 HDSfeed effluentHelitower Germany 强化传热技术 2020 1 12 FCCUDebutanizerReboiler California 强化传热技术 2020 1 12 HydrotreatingunitF Eexchanger TheNetherlands 强化传热技术 2020 1 12 Gas oilcoolerwithtubeinserts Germany 强化传热技术 2020 1 12 TheHelixchangerwasinventedanddevelopedintheCzechRepublic Sincetheyear1994 ABBLummusanditslicenseesofferengineeringandmanufacturingservicesfortheHelixchangeronaworldwidebasis Someinterestingexamples bitumen crudeexchangerintheNetherlands debutanizerreboilerintheUSA crude hotburnsexchangerinSouthArabia coolingwater hydrocarboninBelgium bottoms steamreboilerinSouthAfrica crudeoverheadcondenserinCanada etc ShelldiametersandtubelengthsofmanufacturedHelixchangersrangefrom203to1 950andfrom1 700to21 000mm respectively 强化传热技术 2020 1 12 螺旋折流板换热器防止结垢的效果 弓形折流板使用6个月后 螺旋折流板使用一年后 强化传热技术 2020 1 12 1 4螺旋折流板换热器芯体 两管程正三角形布管 轴向搭接 半个孔的加工要先钻孔 后将边的余量去掉 大倾斜角 轴向搭接 强化传热技术 2020 1 12 中国石油大庆炼化公司刘宏军等 30 角较佳 强化传热技术 2020 1 12 辽宁石油化工大学石玉等性能试验 试验在换热器性能测试试验台上进行 试验件为卧式管壳式换热器 30 40 螺旋折流板换热器和相对应的弓形折流板换热器 芯组都是由44根两管程长2498mm 19mm 2mm换热管排成 螺旋角为30 时 螺距为405mm 相对应的弓型I折流板换热器的弓板间距为400mm 螺旋角为40 时 螺距为590mm 相对应的弓型II折流板换热器的弓板间距为600mm 此处螺旋角的意思等同于倾斜角 强化传热技术 2020 1 12 强化传热技术 2020 1 12 辽宁石油化工大学石玉等 强化传热技术 2020 1 12 40 角较佳 强化传热技术 2020 1 12 Kral D Stehlik P etal 40 角最佳 最佳40 角方案的性能比弓形折流板方案翻一倍 强化传热技术 2020 1 12 45 角最佳 强化传热技术 2020 1 12 Iran M R JafariNasr 马鞍型 强化传热技术 2020 1 12 辽宁石油化工大学商丽艳等 也是马鞍形 18 角最佳 30 角最差 然后再升 但这不是单位流阻的换热系数 换热系数的变化不符合道理 估计是轴向搭接程度不同的影响 强化传热技术 2020 1 12 西安交通大学王良等 强化传热技术 2020 1 12 强化传热技术 2020 1 12 角度大的优于小的 无阻流板优于有阻流板 强化传热技术 2020 1 12 西安交通大学曾敏 王秋旺等 成型和钻孔模具 可见螺旋角很小 进出口切向布置 弓形折流板 强化传热技术 2020 1 12 西安交通大学曾敏 王秋旺等 弓形连续 侧进口连续 中进口非连续 非连续折流板方案最佳 连续折流板方案不如弓形折流板方案 强化传热技术 2020 1 12 该连续单头螺旋折流板换热器性能的实验值不如弓形折流板换热器 强化传热技术 2020 1 12 西安交通大学王秋旺等双壳程 强化传热技术 2020 1 12 强化传热技术 2020 1 12 该双壳程螺旋折流板换热器传热传质性能仅比弓形折流板换热器略高6 左右 强化传热技术 2020 1 12 Conclusions 1 UnderthesamemassflowrateMandoverallheattransferrateQm theaverageoverallpressuredrop pmoftheCMSP STHXislowerthanthatofSG STHXby13 2 UnderthesameoverallpressuredropDpmintheshellside theoverallheattransferrateQmoftheCMSP STHXisnearly5 6 higherthanthatofconventionalSG STHXandthemassflowrateintheCMSP STHXisabout6 6 higherthanthatintheSG STHX 感觉该团队的研究钻牛角尖 连续螺旋折流板换热器和双壳程螺旋折流板换热器结构复杂 制造困难 但传热传质性能甚至不如弓形折流板换热器 原因在于连续螺旋折流板换热器的螺旋角做不大 离最佳值较远 因而传热传质性能大打折扣 强化传热技术 2020 1 12 正方形排列管束 正三角形排列管束 对于正三角形排列管束怎么办 强化传热技术 2020 1 12 强化传热技术 2020 1 12 相关类比 强化传热技术 2020 1 12 相关类比 强化传热技术 2020 1 12 东南大学陈亚平团队的工作成果 三分螺旋折流板换热器结构 设计了1 3分区布管和周向重叠折流板布管方案 分析了三角区流体流动方向 指出非连续螺旋折流板换热器的性能可能优于连续性螺旋折流板换热器 指出轴向搭接开启了指向下游通道的捷径 是一种不合理的设计 基于试验研究结果 提出了当量螺旋角决定传热性能的观点 数值模拟研究了二次流和三角区的泄漏 编制了界面友好的螺旋折流板换热器设计程序 强化传热技术 2020 1 12 陈亚平提出三分螺旋折流板方案 a 1 3分区布管 b 中心无管位 c 中心布管周向重叠三分螺旋折流板的对称方案投影图 不对称 对称 扇形折流板 对称 扇形折流板 强化传热技术 2020 1 12 相关专利申请 发明人 陈亚平 发明专利申请 三分椭圆螺旋折流板管壳式换热器 申请日期 2008 08 1 申请号 200810020967 0一种三分之一扇形螺旋折流板管壳式换热器 申请日期 2008 11 7 申请号 200810195216 2 强化传热技术 2020 1 12 三分螺旋折流板换热器 1 壳体 2 管束 3 管板 4 折流板 5 进 出口接管三分扇形螺旋折流板管壳式换热器本体 1 3分区布管 强化传热技术 2020 1 12 三分扇形螺旋折流板 1 3分区布管 强化传热技术 2020 1 12 三分螺旋折流板周向重叠管束 强化传热技术 2020 1 12 1 3椭圆折流板 左 1 3扇形折流板 右 强化传热技术 2020 1 12 1 3椭圆折流板 左 与1 3扇形折流板 右 在外圈连续连接方案的等轴侧图 强化传热技术 2020 1 12 3e 1 3椭圆折流板 3s 1 3扇形折流板 4e 1 4椭圆折流板 4s 1 4扇形折流板 c 连续螺旋折流板折流板螺距 直径比和当量螺旋角与倾斜角的关系 强化传热技术 2020 1 12 折流板相对边长 弦长与倾斜角之间的关系 强化传热技术 2020 1 12 折流板夹角和V型缺口角与倾斜角的关系 强化传热技术 2020 1 12 三角区的泄漏 上 下游通道截面之间V型缺口的漏流 在三角区 k级通道流体向上一级k 1级流动 但上级压力较高流体亦可能反向漏流 流体在三角区向上一级的流动使得流速增大 且使折流板壁面上的边界层间断 有利于强化传热 强化传热技术 2020 1 12 折流板轴向搭接时上 下游截面之间X型缺口处的漏流 貌似泄漏面积减少 但存在指向下一级的漏流捷径 必然影响绕行主流的传热 可见轴向搭接不利于强化传热 这是由陈亚平首先提出的观点 强化传热技术 2020 1 12 倾斜折流板钻孔及加工圆弧边用的工装 从效率角度折流板倾斜角应取30 45 大角度 但从制造角度又不希望倾斜角太大 国内大型换热器通常取15 以下 倾斜折流板的传统加工方法是钻孔要用钻模或先用键槽铣刀铣平面 每个规格 角度都要做一套工装模具 加工工艺复杂 困难是螺旋折流板换热器普及推广的障碍 现已找到解决问题的钥匙 专用数控加工设备200万元左右 加工速度快 孔和边一次性解决 无需制作模具 下料废料少 折流板圆弧边的加工亦比较困难 用立车或大型镗铣床 强化传热技术 2020 1 12 三分螺旋折流板换热器实验系统流程 管内热流体 乙二醇水溶液 壳侧冷流体 导热油 强化传热技术 2020 1 12 性能实验 强化传热技术 2020 1 12 图壳侧传热系数K随油流量变化的关系 强化传热技术 2020 1 12 图壳侧换热系数ho随油流量变化的关系 强化传热技术 2020 1 12 图壳侧压降 po随油流量变化的关系 强化传热技术 2020 1 12 图壳侧综合指标ho po1 3随油流量变化的关系 下一步将进行更大角度和周向重叠扇形折流板方案实验 20 扇形折流板方案的指标比弓形折流板平均高出26 20 搭接扇形折流板方案的指标低于20 扇形折流板方案 而与15 扇形折流板方案相当 15 椭圆折流板方案的指标低于15 扇形折流板方案 10 扇形折流板方案的指标比弓形折流板的低 强化传热技术 2020 1 12 结论 正三角形排列布管是绝大多数管壳式换热器所采用的首选结构 而三分螺旋折流板换热器正好适合这种结构 三分螺旋折流板管壳式换热器是具有高效 低阻的优异性能的传热设备 比目前国际上认为性能最好的1 4螺旋折流板换热器紧凑而且零件减少 与传统弓形折流板管壳式换热器相比 可降低壳程流动压降 且同时可使壳侧换热系数获得50 乃至翻倍的提高 并可有效抑制管束振动破坏和污垢的形成 强化传热技术 2020 1 12 图1水 水传热试验系统流程图 强化传热技术 2020 1 12 水 水换热 倾斜角10 20 图例 数字是倾斜角 s 扇形 e 椭圆 d 轴向搭接 seg 弓形图6总体传热系数随壳侧轴向雷诺数的变化 强化传热技术 2020 1 12 图7壳侧压降随壳侧轴向雷诺数的变化 强化传热技术 2020 1 12 图9壳侧换热系数随壳侧压降的变化 强化传热技术 2020 1 12 图13Nuo Euz o综合指标随壳侧轴向雷诺数的变化 强化传热技术 2020 1 12 图14 Nuo Nuo seg Euz o Euz o seg 指标随壳侧轴向雷诺数的变化 强化传热技术 2020 1 12 结论 是当量螺旋角而不是倾斜角对传热性能起到决定作用 在本次试验范围内倾斜角最大的20 扇形折流板方案依然是最佳方案 其综合指标 Nuo Euz o 的平均值与弓形折流板换热器方案相比平均提高42 螺旋折流板换热器的相邻折流板采用轴向搭接方案是错误的设计 在多消耗材料的同时 使综合指标低于非轴向搭接方案甚至弓形折流板换热器方案 同样倾斜角的椭圆折流板方案的性能不如扇形折流板方案 强化传热技术 2020 1 12 周向重叠三分螺旋折流板换热器 水 水换热倾斜角 20 32 图2试验台水系统装置照片 强化传热技术 2020 1 12 图5试验现场图 强化传热技术 2020 1 12 图6试验件管芯照片 单头螺旋20 24 28 32 双头螺旋32 弓形 强化传热技术 2020 1 12 图7周向重叠折流板的投影图 强化传热技术 2020 1 12 总体传热系数VS壳侧轴向雷诺数 20 折流板方案的指标最高 弓形折流板排第三 双头比单头方案的高 强化传热技术 2020 1 12 壳侧换热系数VS壳侧轴向雷诺数 20 折流板方案的指标最高 弓形折流板排第三 双头比单头方案的高 强化传热技术 2020 1 12 压降VS壳侧轴向雷诺数 弓形折流板方案的指标最高 20 折流板方案排第二 双头比单头方案的高 强化传热技术 2020 1 12 换热系数VS压降 20 折流板方案的指标最高 弓形折流板排最后 双头比单头方案的高 强化传热技术 2020 1 12 努谢尔特数VS壳侧轴向雷诺数 20 折流板方案的指标最高 弓形折流板排第三 双头比单头方案的高 强化传热技术 2020 1 12 欧拉数VS壳侧轴向雷诺数 弓形折流板的指标最高 20 折流板方案和32 双头螺旋方案排第二 三名