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螺旋折流板換熱器

日期:2009年8月31日 17:19
  在石油、化工、動力、冶金、能源等工業部門中常常涉及諸多的傳熱問題,列管式換熱器是當前工業生產中應用最廣泛的傳熱設備。與其它類型的換熱器相比,其主要優點是單位體積所具有的傳熱麵積大及傳熱效果好。加之結構簡單、製造所需的材料範圍廣、操作彈性較大等,因此在化學工程領域中得到越來越廣泛的應用。
  為了加大殼程流體的速度,使湍動程度加劇以提高殼程傳熱膜係數,通常要在列管式換熱器的殼程安裝折流板,最常見的是圓缺形擋板。流體在裝有圓缺形擋板的殼體內曲折流動時,方向和速度不斷改變,特別在折流板邊緣處易產生流體分離。由於在弓形板與殼體間存在著流動死區,流體在折流板中反複地叉流運動,降低了傳熱推動力,若想獲得較高的傳熱性能,隻有減小弓形板的間距,這必然會伴隨著較高的流動阻力,以較高的能耗為代價。因而迫切需要改變這種傳統的折流板形式。

圖1弓型折流板換熱器殼側流動示意圖
螺旋折流板換熱器由於其獨特的優點而成為理想的替代產品。螺旋折流板換熱器就是用連續螺旋狀的支撐板支持換熱管,使殼程介質從殼程入口進入時,沿螺旋板形成的螺旋通道斜向前進,將傳統的橫向折流方式變成縱向螺旋折流方式,在降低殼程阻力的同時,大大強化傳熱效果。其特點是:⑴介質在殼體內連續平穩螺旋流動,避免了橫向折流產生的嚴重壓力損失,因而具有壓降低的特點。⑵與弓形折流板相比,在同樣的壓降下,可大幅度提高殼程介質的流速,從而加劇湍流程度,使介質傳熱能力增大。 ⑶殼程介質螺旋前進,因而在徑向截麵上產生速度梯度,形成徑向湍流,使換熱管表麵滯留底層減薄,有利於提高膜傳熱係數。⑷橫向折流方式比,不存在死區,在提高換熱係數的同時,減少汙垢沉積,熱阻穩定,可使換熱器一直處於高效運行狀態。⑸旋折流板對換熱管的約束要強於弓形折流板,減少了管束振動,延長設備的運行壽命。⑹殼程做冷凝換熱時,螺旋折流板可以起到對冷凝後的液體引流作用,減少了冷凝液體對下排管覆蓋,從而提高換熱效果。
StehlikP等進行的研究得出,與傳統弓形折流板換熱器相比,相同條件下螺旋折流板換熱器的傳熱係數可提高1.8倍,流動阻力降低25%。陳世醒等研究發現,對於高粘度 油品,螺旋折流板換熱器單位壓降的殼程對流傳熱 係數約為普通弓形折流板換熱器的1.5倍;對於水, 螺旋折流板換熱器單位壓降的殼程對流傳熱係數約為普通弓形折流板換熱器的2.4倍。宋小平介紹了十餘台螺旋折流板換熱器在煉油廠的應用情況,使用結果表明,其各種性能指標均優於原弓型折 流板換熱器,采用螺旋折流板換熱器後的換熱效率 都大幅度提高,並減少了換熱麵積和金屬消耗,從而降低了裝置的設備投資。
但是,螺旋曲麵加工困難,而且換熱管與折流板的配合很難實現。考慮到加工上的方便,采用一係列的準扇形平麵板(稱之為螺旋折流板)替代曲麵相間連接, 在殼程側形成近似的螺旋麵,使換熱器的殼程側流體產生連續的螺旋狀流動,見圖 2。
 螺旋折流板布置應使殼程內介質的螺旋狀流場穩定,這就要求螺旋折流板之間有一致的間隔稱為折流板間距F),相同的安裝角α,一般還應要求:螺旋折流板應布置在上方進出口軸線的下方或下方進出口軸線的上方,見圖 3。
  自1997年撫順石油二廠在國內首次應用螺旋折流板換熱器以來,螺旋折流板換熱器在化工煉油裝置上得到迅速推廣,先後有超過20家企業的幾十套裝置應用了上千台螺旋折流板換熱器。應用結果表明,殼程采用螺旋折流板比采用垂直弓形折流板確實具有減少殼程流體壓力降的效果,但對於殼程換熱效率的提高卻不十分明顯,某些換熱器,尤其是大直徑換熱器采用螺旋折流板後,其換熱效率甚至不如弓形折流板。經過對不同直徑殼體以及不同角度的螺旋折流板換熱器進行的多次模擬實驗表明,出現這種情況的主要原因是受到機械加工水平的限製,因為實現完全的連續螺旋折流的加工非常困難。傳統的螺旋折流板由2塊或4塊平板搭接,布置成近似螺旋麵,每塊投影為360°/x的扇形折流板,與殼程軸線呈一定角度首尾相接依次擺放,相鄰2塊折流板的直邊在頂部交錯對接排列,2塊相鄰折流板間形成的三角形空間(見圖4),容易導致沿折流板流動的介質形成短路漏流而偏離螺旋流動狀態。

圖4傳統的螺旋折流板結構布置
  短路漏流減少了理想通道的流量,尤其在大直徑螺旋折流板管殼式換熱器中,由於大量介質沿著2塊相鄰折流板間形成的三角形空間及縫隙短路流過,使主流道螺旋流減少,降低了介質流速,嚴重影響了換熱效率。新型防短路螺旋折流板管殼式換熱器為了確保殼程換熱效率的提高幅度,大連海特公司研發了1種新型防短路螺旋折流板,使殼程內介質以近似理想的螺旋流動模式通過殼體。   

流體流動分析
  新型防短路螺旋折流板在原扇形折流板的基礎上將兩側直邊同時加寬1排或2排管距寬度,相鄰2塊扇形板的直邊以交叉重疊方式連接,在由同1排或2排換熱管貫穿的情況下進行了流動模擬實驗。實驗結果表明,在扇形折流板在兩側直邊同時加寬5~10mm時,短路現象仍然存在,直到加寬到1排至2排管距寬度時,殼程內介質才以近似理想的螺旋流動模式通過殼體,此時短路現象幾乎杜絕。防短路螺旋折流板結構布置見圖5。                                                    

           圖5新型防短路螺旋折流板結構布置
  這種交叉重疊搭接的連接方式對流經管束的介質起到良好的引導作用,既減少了兩相鄰扇形折流板直邊交叉形成三角形空間的短路現象,確保了換熱效率的提高,又由於同1排或2排換熱管穿過相鄰的2塊扇形板,強化了管束剛性,避免了象限間分離的趨勢。重疊部分的螺旋折流板結構具有良好的防振作用。
綜上所述,螺旋折流板換熱器在綜合性能方麵顯示出了其優越性,隻要設計恰當,可以獲得較好的綜合性能. 但是,與傳統弓型折流板相比,需要進一步做研究的地方尚有許多,比如:迄今人們對管殼式換熱器的研究大多集中在弓型折流板方麵, TEMA的標準也是針對弓型折流板而言的,要使螺旋折流板進入標準化的設計,則需要對其流動和傳熱機理展開詳細分析研究,而影響其流動和傳熱機理的因素除了影響傳統弓型折流板的因素以外,還有如幾何因素(布置型式、螺旋角、螺距) 、相變情形、不同介質的物性影響等等. 有理由相信,隨著計算機技術的不斷發展以及對螺旋折流板換熱器機理的深入研究,這種換熱器的應用將更加廣泛.




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