机械设备基础新型壳侧支撑结构的管壳式换热器论文

1、 学校代码： 11059 学 号： Hefei University化工机械设备课程论文 课题名称： 新型壳侧支撑结构的管壳式换热器 年级专业： 作者姓名： 导师姓名： 摘要：本文提出管壳式换热器壳侧支撑结构的一种新形式花隔板。为研究花隔板换热器的换热和流阻性能，利用相似原理进行相关实验，得到花隔板换热器的换热准则关系式和流动阻力准则关系式。与传统单弓形折流板换热器进行比较,花隔板换热器的综合性能K/p提高1030。关键词：花隔板换热器；折流板换热器；传热；流动阻力；引言管壳式换热器是各类换热器中使用范围最为广泛的一种换热器，对其强化传热的研究也一直在进行。在管侧换热性能已经得到较大改善的情况

2、下，提高壳侧的换热性能对于换热器总传热系数的提高则起着更加重要的作用。壳侧支撑结构因其在作为管束支撑物的同时又兼有强化换热的作用而显得尤为重要。因此，大多数壳侧强化换热研究都侧重于壳侧支撑结构的改进和创新。从最初的折流板，到20世纪70年代出现的折流杆，以及近年来出现的螺旋折流板、异型孔板等一系列新型壳侧支撑结构，都在围绕着壳侧强化换热这一课题进行，而且还在继续。折流板是目前使用范围较广的一种壳侧支撑结构，其特点是使流体横掠管束以提高壳侧换热系数，但同时也将使流动阻力增加，并伴随有流体诱导振动发生，导致换热管磨损甚至断裂。折流杆的特点则是使流体由横掠管束改为纵掠管束，但由于折流杆对流体的扰动作

3、用，壳侧换热过程也得到强化，同时由于流体纵向流动，流动阻力大为减小，流体诱导振动及对换热管的破坏作用等危害得到改善，其缺点是折流栅和折流笼的制造和安装比较麻烦。螺旋折流板变完全纵向流动为螺旋形流动，这样既可以避免传统垂直弓形折流板换热器中出现的流动死区，又可借助于旋流强化壳侧的换热，但是螺旋折流板的制造及安装比较困难。管壳式换热器工作原理和结构管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，管壳式换热器在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势

4、。通常管壳式换热器的工作压力可达4兆帕，工作温度在200以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下,在个别情况下也有更大或更长的。工作原理和结构 图1 固定管板式换热器 A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳

5、体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。实验过程1.测试前的准备正式开始试验之前,制定一份详细而周密的试验计划是很必要的。通过计划可以合理安排试验时间,还能提高试验的质量。一般来说,在设计工作完成以后就可以着手制定试验计划。试验计划通常包括试验目的、试验内容、试验参数设定和要求、试验顺序和日程安排、操作指导等。另外,要对试验过程中可能出现的失效模式进行预先分析并准备可行的预备方案(如回收制冷剂会有哪些问题及如何避免这些问题)。负责试验的工程师及

6、操作技工也应参与试验计划的制定,这样才能保证计划的正确性和可行性。2.样机测试为了得到更多的数据以方便性能分析,通常在样机上会安装一些额外的测量压力、温度、油浓度等传感器或者其他仪器。测试前应对这些传感器进行标定,以确保其准确度和精度满足测试要求。开机调试直至机组运行稳定后,方可进行正式的传热试验。下面介绍通常的试验步骤。2.1液位优化该试验是针对采用满液式或者降膜式蒸发器的冷水机组。试验工况设定为设计的饱和温度过冷液体温度以及水流量,即在保持系统性能微小波动的情况下进行液位优化。如液位初始设定值为0,则设定点为:-3c,-2c,-c,0,c,2c,3c。c为根据蒸发器尺寸和液位传感器工作范围

7、确定的液位变化量。设定点通常取5个。在液位变化时,通过增加制冷剂充注量和调节进出水温度,保证所设定的性能参数在一定范围内波动(一般温度波动范围控制在0.2之内)。液位的最终选择要综合考虑蒸发器的换热性能和制冷剂充注量。2.2充注量优化试验前应先根据具体的机组实际配置估算制冷剂充注量。充注量的估算通常应包括两器、油分、系统管道及其他容器内所含的液相和气相制冷剂。试验工况为设计的蒸发器出水温度和水流量、冷凝器进水温度和水流量。根据初始估算的充注量,设定点为其增加或减少一定量的制冷剂。调节量由冷量大小决定,根据经验可取计算充注量的3%6%。注意此时的蒸发器液位应设定为液位优化试验所得到的液位。随着充

8、注量的变化,系统能效比和冷量也会产生变化。充注量的选择要综合考虑系统性能和冷量。通常,根据试验数据得到的最佳充注量其实是一个范围,在选择的时候,要尽量使系统性能在最佳点的变动范围内保持稳定。2.3回油设定优化该试验是针对采用满液式或者降膜式蒸发器的冷水机组。回油的原理是利用冷凝器的高压将蒸发器内的油和制冷剂混合物带回到压缩机。这个过程包括高压回油和低压充注的时间。2个时间的设定对回油效果和压缩机的工作性能都有较大影响。本试验的工况和蒸发器液位优化的工况相同,通过调节进出水温度保证设定的性能参数在一定范围内波动。制冷剂充注量和蒸发器液位采用上面2个优化试验的结果。设定点为不同的回油时间组合,一般

9、来说低压充注的时间要大于或等于高压回油的时间设定,同时要注意过高的回油频率会影响压缩机的可靠性。根据不同组合下蒸发器内的油浓度大小确定回油时间的设定。2.4负荷变化测试负荷变化测试是传热试验的核心内容,事实上前面3个测试也是为这个试验作准备。通过这个测试可以得到不同热流密度下的换热系数,从而拟合出它们的关系曲线,并校核设计的正确与否。试验工况为设计的蒸发器出水温度和水流量、冷凝器进水温度和水流量。具体工况设定可参考ARI550/590的规定,试验过程中按照相应标准调节负荷并保持工况稳定。按照ARI的规定,负荷变化点为满负荷100%,75%,50%和25%,一般的螺杆机组很难达到25%的负荷,可

10、用最小负荷代替。2.5变工况测试变工况测试主要是指改变饱和温度和改变水流量。通过对这些工况点的改变来测试换热器和系统的性能及其可靠性。对于改变饱和温度的测试,可通过调整蒸发器出水温度和冷凝器进水温度来实现,在设定具体工况时,可将水温度分为低、标准和高3档,根据需要也可以取更多。不同的蒸发温度和冷凝温度组合可以考察不同的系统运行状态,如高蒸发温度可以考察系统是否吸气带液。表1列举了改变饱和温度工况的一个例子。对于改变水流量,设定时要注意最小水流量和最大水流量对应的管内水流速度,太低会加剧结垢的形成,太高则会加强对内管的腐蚀。根据经验,一般最低值为0.9m/s,最高值为3.4m/s。改变水流量试验

11、可以考察换热器在不同水流量下的性能表现以及校核水侧压降的设计计算。2.6污垢检查污垢检查试验用于监测试验过程中管内污垢的形成情况。此项试验在机组测试过程中,每天试验开始后都需要进行,每次试验的工况点相同。试验工况建议在标准工况下使冷水机组满负荷运行。污垢系数的具体计算见第3节。2.7测试注意事项以上介绍的6项测试为常见的传热测试项目。当然,在实际试验中,还可以根据需要增加其他测试项目。为了保证试验的顺利进行和所采集数据的准确性,在试验过程中通常还需要特别注意以下事项:机组运行之前,不允许管内有水,防止结垢;每天开机后要用流速不低于3.6m/s的清水冲刷换热管至少半个小时以上,这样可以降低水垢对

12、性能的影响;采集数据前要保证机组稳态运行半小时以上,数据的稳定与否可以根据设定的数据波动值判断,每组数据至少为10个点的平均值,从而减少测量值随机误差对最终数据处理的影响;回收制冷剂时,要保持水路的水泵在运行状态,以防换热管冻裂;测试时需实时监视一些关键参数的变化,特别是在一些变工况的试验点,一旦有异常可及时修正试验计划。总结本文在利用相似原理的基础上，对花隔板换热器和传统单弓形折流板换热器的换热和流阻性能进行实验，通过线性回归处理，得到了花隔板换热器传热准则关系式和流阻准则关系式。并对折流板换热器和花隔板换热器就综合性能K/p进行比较。在壳侧流体体积流量相同的情况下，花隔板换热器综合性能K/p比折流板换热器综合性能K/p高1030。通过对镀锌薄钢板风管、无机玻璃钢风管、复合玻纤风管和酚醛铝箔复合风管的全寿命周期费用的比较分析可知,由复合玻纤风管和酚醛铝箔复合风管为代表的复合型轻质保温风管的全寿命周期费用明显比传统镀锌薄钢板风管的低很多,其中酚醛铝箔复合风管仅为464.44万元,与同类产品相比还具有质量轻、美观、节能、防火性能好等优点。相信不久的将来,此类风管将会越来越多地应用于国内暖通空调领域。参考文献1杨世铭，陶文铨传热学M北京