波纹管换热器性能及效益分析

波纹管换热器性能及效益分析晨怡热管 2008-5-20 0:10:51 1、 引言换热器是热能交换的主要设备，在热电联产、集中供热、石油化工、油品输送、冶金、轻工及宾馆、医院等领域具有广泛的应用。下面我要分析介绍的波纹管换热器，是我公司根据客户要求及借鉴外来经验设计研制的换热器，是一种新型的高性能的热交换器，是换热器家族中一个高新技术产品，也是我国自己研制与应用的唯一具有竞争力及优越性能的换热器。其具有高效、安全、可靠、节能、不易堵漏、密封周期长的，综合性优点，尤其适合在高温、高压的条件下实用。本文根据传热学原理，对波纹管换热器的结构特点，进行了详细的理论及技术性能分析、经济效益和社会效益的分析。对今后压力容器行业换热器产品的更新改造有着较大的借鉴意义。2 波纹管换热器的主要结构特点2.1 传热原理我们先来分析一下间壁两侧流体热交换过程:流体在圆管内流动时，分层流层和湍流层，介质在管内各点的速度随该点与管中心的距离而变，距离管壁附近流速最慢，为层流层，越离管壁较远处，流速越快，为湍流层。物质间热交换过程有三种：热辐射、对流传热和热传导。化工中常遇到的是温度不太高的流体间的热交换问题,此时辐射传热通常可不予考虑。热量自热流体传到间壁表面的一侧,或自间壁另一侧表面传给冷流体,都属于对流传热。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象,所以和介质流动的情况密切相关。即使是在湍流流动的情况下，流体主流中由于旋涡丛生，流体各部分相互混合，所以热阻很小，从而在和流体流动方向垂直的截面上，湍流中心区各点流体之间的温度趋于一致；但在紧靠壁面处，总有一层流体膜顺着壁面作层流流动，称为层流底层。在冷流体一侧，热量在传入冷流体主体之前，必须首先通过它。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的，所以流体膜虽薄，却是对流传热的主要热阻，温度降也主要集中在层流底层中。图1为对流传热时沿热流方向的温度分布情况示意图。图中F1F1与F2F2为层流底层的界面，T为热流体中心温度，也即最高温度，t为冷流体中心温度，也即最低温度。在热流体的湍流主体中，由于流体质点充分混合，温度基本上是一致的，即图中T。在层流底层内，由于热阻较大，温度急剧由Tb下降到Tw。在层流底层和湍流主体之间，存在一个温度逐渐变化的区域，称为过渡区，其中温度由T下降到Tb。再往左通过管壁，因其材料通常为金属，热阻很小，因此，管壁两侧的温度Tw和tw相差很小，此后在冷流体内，又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体，温度由tw经tb下降到t。图中曲线twtbt和曲线TTbTw的意义相似。 图1 对流传热时沿热流方向温度分布情况2.2总传热系数影响因素传热学传热速率公式如下：Q=KA(T-t)-（2-1）式中: Q-换热量K-换热系数A-换热面积(T-t)-传热温度差从公式（2-1）可以看到，换热量和换热系数K 成正比，要提高换热器的热交换能力，就必须想办法提高换热系数K值。对流传热时根据传热学原理,圆筒型壁热交换管的总热阻公式为：1/K=1/1+b/(d1/dm)+1/2(d1/d2)+Rs(d1/d2)-（2-2）式中: K-总传热系数1、2-管壳程对流传热系数b-换热管壁厚-换热管传热系数Rs-污垢热阻d1、d2、dm-分别为换热管内径、外径、中径2.3提高换热器换热性能途径分析:由2.1 间壁两侧流体热交换过程及公式（2-2）可以看出，要想提高热交换器的换热性能，就要努力降低总热阻1/K，既提高总热交换系数K值，从中不难看出提高换热系数K值有如下途径：1）减少层流层，增加湍流层，从而提高对流传热系数1、2：由化工原理中有关传热学知道，K值几乎主要取决于对流传热系数，则必须设法同时提高流体两侧的对流传热系数1、2。2）减少传热距离，既减小换热管壁厚b。3）提高传热系数可以通过选用导热性能好的换热管材料实现。4）降低污垢热阻Rs当污垢热阻起很大作用时，则必须设法减慢污垢生成速率或勤予清洗。2.4 波纹管换热器结构特点:如图2所示为波纹管换热器的一般设计结构,其外表与普通换热器相同,壳程采用普通的圆筒形结构，其与普通换热器相比，最大的特点是管程采用薄壁不锈钢波纹式换热管,波纹换热管结构组件见图3，它是由壁厚为0.5mm0.7mm的管料经过挤波器设备加工而成，使换热管壁形成一个个凸起，并经过与其焊接的管套，与管板进行强度焊接而成。 图2 波纹管换热器结构 图3 波纹换热管结构组件3 波纹管换热器性能分析3.1波纹管换热器换热性能分析:(1)良好的对流传热性能由于换热管壁制造成一个个的波纹,所以介质在管内流动时,其层流层被凸凹不平的壁面所破坏,这样就大大提高了介质的湍流层, 形成不断的旋涡式湍流流动,可达到更充分的换热效果，从而提高了介质间的对流传热系数（可大约提高2倍），降低了对流热阻1/，使波纹换热器具有良好的对流传热性能。(2)良好的热传导性能本设备波纹换热管采用不锈钢薄壁管制成，不锈钢具有良好的热传导性能，即热传导系数大。切采用.50.7的薄壁管,这样就保证减小了传导热阻b/值。普通换热器的换热管壁厚一般厚度达,而波纹管换热器与之相比，同材质情况下可提高热传导性能倍。所以它具有良好的热传导性能。(3)较低的污垢热阻由于换热管采用波纹形,所以介质在换热管内外壁流过时,增加了湍流流速,形成了一个个向前不断涡流流动的流态，大大减少了介质在换热管内外壁上积垢的可能，从而大幅度降低了污垢热阻Rs。(4)单位容积传热面积大由于换热管是由光管连续胀形,外表面形成一圈圈的波纹,所以内外表面积均比同长度的光管大,如用27X0.7光管制成后的波纹管表面积可以比原来增大20%左右，所以同壳径的换热器，装有同数量的换热管，装波纹管的可以比装光管的换热面积大。从以上分析可知，波纹管换热器具有良好的热交换性能。3.2波纹管换热器使用性能分析(1)不污、不堵、不结垢由于该设备的换热管采用不锈钢材料制成，换热管为波纹形的特点，增大了介质的湍流层，减少了易滞留积垢的平流层，大幅度减少了换热管内外壁积污的可能,故防堵性能好，管程耐蚀性好。不所以它照比其它换热器大幅度减少了设备的清理维护工作量，方便了用户的使用。最近证实首台换热器在浑河供热所已经使用五个供暖期仍不结垢，这足以证明新产品有很强的防结垢能力，从而也保障了换热器的稳定运行（换热效率不降低）。(2)防漏能力强因为每根换热管的各个波纹都具有自身补偿热胀冷缩的功能,因此不需要膨胀节之类的设置来减少管壳程的温差应力，有较强的适应热膨胀能力。(3)防震能力强第一. 由于换热管波纹的加工,使其自身带有可塑性。第二. 选用具有较好的可塑性不锈钢材料。第三. 采用了波纹管与套管焊接后,再与管板相焊的结构。这样就使波纹换热管与管板不直接接触，减少了因厚度差引起的局部应力。第四. 与波纹管焊接的套管处,采用了缓冲节加工结构，如图2局部放大图所示，也提高了其抗震性能。(4)动态性能好由于产生强化扰动的流速范围达0.2m/s以上,故负荷变化而引起的管内流速变化时,也不影响换热性能。(5)减少设备维修量由于该产品不污、不堵、不腐蚀、不结垢、密封性能好，不必象其它换热器那样年年维修。一旦需维修，工作量也很小。(6) 较高的承压能力由于换热管做成一个个的波纹形结构,照比光管增强了其承载压力的能力,使其更适合在较高的压力下工作。由以上分析可知,波纹管换热器具有良好的使用性能。4波纹管换热器经济社会效益分析4.1较高的经济效益性能(1)可以节省材料成本换热管管壁加工为波形,如图4所示为波纹管结构加工尺寸图，设凸波球面半径为R,管外半径为r,加工波纹凸波率为R/r=1.2,波纹间距(相邻两波峰间的距)为24mm,由几何公式可得到球面面积S球、球冠面积S冠、圆柱侧面面积S柱如下：S球 =4R2=4（1.2r）2=5.76r2S冠 =2RR-(R2-r2)1/2=2(1.2r)1.2r-(1.2r)2-r21/2=1.3r2S柱 =4r(R2-r2)1/2=4r(1.2r)2-r21/2=2.65r2 图4波纹管结构尺寸由以上公式得到等长波纹外表面S波与直管外表面S直之比值如下:=S波/S直=(S球-2S冠)/S直=(5.76-2X1.3) r2/2.65r2=1.2沿换热管长度方向上波纹分布率为:=2(1.2r)2-r21/2/24=2(1.2r)2-r21/2/24=0.055r如按25X0.7规格的波纹管计算,得到沿管长布波率为68.75%,若按布波率50%保守计算,波纹管换热面积与原直管换热面积比为：=(1.2S波+S直)/2S直=1.1 (4-1)由式(4-1)的结果及(2-1)公式可以知道,同样换热量Q，由于面积 A(=S波+S直)的增大及K值的提高，照比直管式不锈钢换热器,波纹管式换热器可以较大幅度减少设备制造用料成本。其中外壳用料,可以至少降低为普通换热器用料的90%(=1/)；换热管用料,如果照比同材质不锈钢材料可以降低大约一半以上材料,如果照比碳钢材料，虽然成本提高了一些，但照比其换热能力的提高幅度，总造价并不高。所以波纹管换热器具有较高的经济效益性。(2)减少附件制造费用由于具有良好的热膨胀适应能力，所以可以照比一般结构材料换热器，可以减少安装热膨胀节的购置安装费用上千元。4.2良好的社会效益性对