不同螺旋角的螺旋折流板换热器性能试验研究.doc

不同螺旋角的螺旋折流板换热器性能试验研究/ 2010年01月20日10:30 中国换热器网生意社2010年01月20日讯 商丽艳1,李萍1,陈保东1,潘振1,晏永飞1,郝丹2(1.辽宁石油化工大学,辽宁抚顺113001;2.大庆石化公司水气厂,黑龙江大庆163714) 摘要:对螺旋角为12,18,30,40的单螺旋折流板换热器进行传热性能和壳程压力降性能测试,并应用英国传热协会的换热器计算软件对螺旋折流板换热器进行计算,得到了相应结构下的总传热系数和压力降。然后通过对试验数据的整理分析,并进行曲线回归,得到了壳程对流换热系数和压力降的经验计算公式,该公式可以为螺旋折流板换热器设计计算和数值模拟提供一定的参考价值。 关键词:换热器;螺旋折流板;螺旋角;传热系数;压力降 中图分类号:TQ051.5;TQ050.2文献标识码:A文章编号:1001-4837(2008)04-0009-03 1前言 近年来的研究表明,螺旋折流板换热器的螺旋折流板使流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动1(即plug流),不会出现传统折流板换热器内的流动“死区”,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用,使湍流度大幅度增强,有利于提高壳侧传热膜系数。StehlikP等2对螺旋折流板换热器进行研究得出,相同条件下与传统弓形折流板换热器相比,换热器的传热系数提高1.8倍,流动阻力降低25%。陈世醒等3,4研究发现,对于水这样的低粘度流体,相同流量单位压降的壳程对流换热系数,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的2.倍;对于高粘度油品,相同流量下单位压降的壳程对流换热系数,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的1.5倍,研究表明螺旋折流板换热器不仅适用于低粘度流体,也可用于高粘度流体。总之,螺旋折流板换热器具有传热效果好、流动压降小、不易结垢、流动诱导振动小等优点。 文中分别对螺旋角为12,18,30,40的螺旋折流板换热器进行了试验测试,研究螺旋折流板换热器的传热及压降特性,并与弓形折流板进行性能对比。同时在试验条件下,对上述4种螺旋角的螺旋折流板换热器进行传热性能和压降的优化研究。 2试验装置与流程 2.1试验主要设备及仪器 试验在换热器性能综合测试实验台上进行,主要测试仪表、设备为:测温:精密温度计;测压:U型管压差计;流量计:LZB100转子流量计并联。 2.2试验流程(见图1) 本装置主要包括2个回路、4个部分。2个回路为:换热系统的管程回路和壳程回路。冷流体走管程,热流体走壳程。试验时分别测试水水换热和水油换热两组试验。4个部分包括:(1)冷水的储罐;(2)热水的储罐及加热系统;(3)热油的储罐及加热系统;(4)循环动力系统。本试验中的加热系统采用电热加热,从而使试验温度容易控制。2.3试验组件参数 所用的螺旋角为12,18,30,40的螺旋折流板换热器主要参数为:壳体直径250mm,管程数2,管子长度2498mm,管子直径19mm。 试验用螺旋折流板为单螺旋型。 3数据处理方法 整个测试过程包括壳程对流换热系数和壳程压力降两部分。根据数据及相关的公式建立壳程对流换热系数及压力降公式基本形式。3.2壳程压力降 根据单弓形折流板管内及壳程压力降6,结合实际的试验数据推导出螺旋折流板壳程压力降近似公式:4试验结果与分析 4.1壳程对流换热系数 应用Kern法推导出螺旋折流板换热器壳程对流换热系数计算公式的基本模型。将试验数据依次带入模型,并应用SIGMAPLOT软件确定式中的待定参数。试件的螺旋角为12,18,30,40,结果见图2。从图2中可看出不同螺旋角在相同的结构参数的情况下,通过对壳程单位压降传热系数的对比得出该结构下不同角度中传热性能较好的螺旋角度数。在螺旋角的优化中,研究表明:试验条件下,18螺旋角的螺旋折流板换热器的综合传热性能要优于12,30,40螺旋角的螺旋折流板换热器。 4.2壳层压力降的计算 螺旋折流板换热器在我国有了很大的发展,在制造和使用方面也积累了不少经验。但是关于螺旋折流板换热器压力降方面的参考资料还比较少。目前比较精确的是通过试验方法确定的公式。通过试验方法并运用SIGMAPLOT软件回归壳程压力降计算公式为:从图3中可以看出,螺旋角比较小的螺旋折流板换热器,它的压力降反而很大。因此,在设计换热器时,要适当地选择螺旋角的度数,使其压力降满足设计压力要求。 在设计螺旋折流板换热器时,应综合考虑换热效果和压降两方面的影响因素,通过图2,3可看出,螺旋角为18的螺旋折流板换热器比其它度数的换热器性能更好。 5结语 综上所述,螺旋折流板换热器在综合性能方面显示出了其优越性,只要设计恰当,可以获得较好的综合性能。但是,与传统弓型折流板相比,需要进一步做研究的地方尚有很多,如:迄今人们对管壳式换热器的研究大多集中在弓型折流板方面,TFMA的标准也是针对弓型折流板而言的,要使螺旋折流板进入标准化的设计,则需要对其流动和传热机理展开详细分析研究,而影响其流动和传热机理的因素除了影响传统弓型折流板的因素以外,还有如几何因素(布置型式、螺旋角、螺距)相变情形、不同介质的物性影响等等。随着计算机技术的不断发展以及对螺旋折流板换热器机理的深入研究,这种换热器的应用将更加广泛。 参考文献:1日幡野佐一,等.换热器M.北京:化学工业出版社,1987.2StehlikP,WadekerV.DifferentStrategiestoImproveIndustrialHeatExchangerJ.HeatTransferEineering2002,23(6):36-38.3陈世醒,张克铮,张强.螺旋折流板换热器的开发与研究(1):高粘度流体的中试研究J.抚顺石油学院,1998,18(3):31-35.4张克铮,陈世醒,张强.螺旋折流板换热器