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        換熱器強化傳熱方法及研究進(jìn)展

        2018-04-27 11:24:20曹玉哲竇連城
        世界家苑 2018年3期
        關(guān)鍵詞:強化

        曹玉哲 竇連城

        摘 要:管殼式換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,對其進(jìn)行 強化傳熱方面的研究具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效 益,不僅符合國家對企業(yè)節(jié)能減排的要求,而且能 夠降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。無論換熱器的管程還是殼 程強化傳熱技術(shù),都會朝著結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高 的方向發(fā)展。

        關(guān)鍵詞:換熱器;強化;傳熱

        《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》明確提出,到2015年,全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.869噸標(biāo)準(zhǔn)煤;“十二五”期間,實現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。主要實施的措施是調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加快淘汰落后產(chǎn)能,推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級,加快節(jié)能減排技術(shù)開發(fā)和推廣應(yīng)用,重點推廣高效換熱器等節(jié)能減排技術(shù)。

        我國石化行業(yè)的換熱設(shè)備以管殼式換熱器為主,而且傳統(tǒng)弓形折流板換熱器占到總量的70%~80%。弓形折流板換熱器固然有其優(yōu)點,并在產(chǎn)業(yè)節(jié)能方面做出了巨大貢獻(xiàn),但在新的節(jié)能減排形勢下,其缺點(壓降大、存在大量流動死區(qū)、振動大、傳熱效率低等)嚴(yán)重限制了自身的生存和發(fā)展空間,同時也推進(jìn)了強化傳熱理論和換熱器的發(fā)展。

        一、強化傳熱理論的工程應(yīng)用

        根據(jù)強化傳熱理論,在管的兩側(cè)范圍內(nèi),需要增大傳熱系數(shù)較小的一側(cè)才能有效改進(jìn)總傳熱系數(shù)。由于無法確定所有工況下,需要增大管內(nèi)或管外的傳熱系數(shù)以得到最高的總傳熱系數(shù),因此,強化傳熱理論在工程中的應(yīng)用不是單一的模式,而是呈現(xiàn)出3種趨勢,即對管內(nèi)、管外、管束整體的強化傳熱。無論是那種類型的強化傳熱結(jié)構(gòu),都已經(jīng)細(xì)化出許多更新類型,且其適用的工作環(huán)境和強化效果各異。

        管程強化傳熱高效強化傳熱管的研究一直是傳熱領(lǐng)域最活躍和最有生命力的重要研究課題。管程強化傳熱技術(shù)可歸結(jié)為兩個方面,其一是改變換熱管形狀以加大管程流體湍流程度或傳熱面積,如螺紋管、伸縮管、波紋管、翅片管等,其中研究較多、較典型的是螺紋管和翅片管;另一種是管內(nèi)插物,用來增強管程湍流程度,常見的有管內(nèi)插紐帶、繞絲花環(huán)等,其中,內(nèi)插紐帶由于制造簡單,傳熱效果優(yōu)良,得到了國內(nèi)外研究人員的廣泛認(rèn)定。

        (一)螺紋管換熱器

        1964年,蘭州石油機械研究所的螺紋管軋制成功,國產(chǎn)換熱器中開始采用螺紋管;1965年,蘭州石油機械研究所研制的螺紋管換熱器在蘭州煉油廠應(yīng)用取得成功;20世紀(jì)80年代,在南京煉油廠常減壓裝置中開始大面積推廣應(yīng)用螺紋管換熱器,取得了良好效果。過數(shù)值模擬研究,李占峰等發(fā)現(xiàn)在湍流工況下,隨著流速的增加,換熱器性能越好。模擬使用的螺旋槽管平均Nu數(shù)大約是光管的1.6~2.1倍,阻力系數(shù)大約是光管的1.5~4.5倍。通過對該管型污垢的試驗研究,曾力丁等發(fā)現(xiàn)螺紋管可用于預(yù)防或減輕污垢的堆積。試驗結(jié)果表明,螺紋管的熱阻是光管的52%~88%,努塞爾數(shù)是光管的1.8倍。當(dāng)流體流速從0.25m/s增加到0.75m/s,污垢熱阻將減小66.7%。

        (二)翅片管換熱器

        翅片管是1971年由美國人首先提出來,后經(jīng)過日本、前蘇聯(lián)等國進(jìn)行了大量研究工作,不斷完善而成的一種換熱元件。翅片管是由光管外接翅片制成,其連接部分可以采用焊接和脹接等方式。該結(jié)構(gòu)既增大了傳熱面積,又造成了強烈的擾動,起到了提高雷諾數(shù)和減小邊界層厚度的作用,多用于殼程熱阻較大的情況。翅片可按截面形狀分為矩形、花瓣形、T形、釘翅等。其中,某些類型的釘翅管甚至可以利用翅片相互支撐,而取消折流板。在此基礎(chǔ)上,近幾年國內(nèi)外研究人員相繼提出了一種異型釘翅管。異型釘翅管的結(jié)構(gòu)是在光管外交錯排列許多釘翅。試驗表明,與光管相比,異型釘翅管的傳熱系數(shù)和努塞爾數(shù)均有極大提高,分別為100倍和65~105倍;與其他翅片管相比,其傳熱效果最佳,是較理想的換熱管,應(yīng)用潛力巨大。

        (三)管內(nèi)插扭帶換熱器

        管內(nèi)插扭帶最早是波蘭人 A.Klaczak 于 1964 年提出并進(jìn)行試驗研究的一種高 效傳熱元件,由薄鋼板條扭曲而成。通過在管內(nèi) 插入扭曲帶產(chǎn)生渦流,加強了流體近壁面和中心 區(qū)域的混合,從而達(dá)到強化傳熱的目的。因其 卓越的穩(wěn)定性、簡單的構(gòu)造及易于裝配等特點,已 經(jīng)被國內(nèi)外研究人員廣泛試驗和討論。在文獻(xiàn)中,研究人員對光管內(nèi)插扭帶進(jìn) 行試驗。試驗中使用兩種扭帶:普通扭帶和順時針、逆時針方向相接的扭帶。結(jié)果表明,在雷諾數(shù)為 3000 ~ 27000 范圍 內(nèi),后者表現(xiàn)出更高的傳熱率、摩擦系數(shù)及強化傳 熱系數(shù)。此外,兩者的努塞爾數(shù)比光管分別大 12.8% ~41.9%27.3%~90.5%。

        研究者在紐帶外套擾動線圈,增強了管內(nèi)氣體的湍流程度。試 驗表明,在雷諾數(shù)為 3000 ~ 18000 范圍內(nèi),和光管 相比,外套線圈的扭曲帶換熱管的強化傳熱效果 是單獨使用線圈或扭曲帶的 2 倍。而且,扭曲帶 扭曲程度越高、線圈排布越密,傳熱效果越好。

        二、殼程強化傳熱

        在殼程介質(zhì)為液體的工況下,傳統(tǒng)弓形折流 板換熱器的流體流動阻力和振動較大,能量損失 嚴(yán)重,因此,殼程強化傳熱顯得尤為重要。近年 來,人們采用了各種各樣的折流支撐結(jié)構(gòu)來改善 殼程流體的強化傳熱,常用的方式有:異形折流板(花隔板、螺旋折流板、整圓折流板、螺旋葉片、折流桿等)及殼程內(nèi)插物(扭曲帶、空心環(huán))等。一般認(rèn)為螺旋折流板、殼程扭曲帶結(jié)構(gòu)優(yōu)于 其他結(jié)構(gòu),而引起較多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

        (一)螺旋折流板換熱器

        螺旋折流板換熱器 是 20 世紀(jì) 80 年 代末由美國科研人員提出的,1994 年由美國 ABB 公司首先實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化;國內(nèi)對其研究和開發(fā)始 于 20 世紀(jì) 90 年代,1998 年國內(nèi)第一臺單殼程螺 旋折流板換熱器首次應(yīng)用于撫順石油二廠煉油裝 置,取得良好效果。該結(jié)構(gòu)是將多塊 1 /4 橢圓扇 形平板首尾相互連接,使其一個直邊垂直于軸線、圓心位于軸線上且圓周緊貼筒體內(nèi)壁,另一個直 邊與軸線在其構(gòu)成的平面內(nèi)呈一定角度(25° ~ 40°),從而總體上形成近似螺旋面,使殼程流體以 螺旋狀流動。與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比,殼 程流體流動方式的改變使其具有殼程壓力損失 小,單位壓降下殼程傳熱系數(shù)高等諸多優(yōu)點。

        (二)鍋內(nèi)對螺旋折流板

        進(jìn)入 21 世紀(jì),國內(nèi)對螺旋折流板換熱器進(jìn)行 了深入研究。王晨等利用先進(jìn)的 PIV 激光粒 子圖形測速技術(shù),對螺旋折流板換熱器進(jìn)行研究。結(jié)果表明,由于螺旋折流板的存在,殼程流體流動 方向與軸線呈一定角度,流體斜向沖刷換熱管及 折流板,減小了管束的震動和死區(qū)。而且,管間流 場存在著沿軸線方向波動的徑向速度,這可以增 加流體的擾動,減薄邊界層的厚度,有利于增大傳 熱系數(shù)。

        雖然螺旋折流板很好地改善了傳統(tǒng)弓形折流 板換熱器的缺點,但其結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了折流板無 法達(dá)到無縫連接,結(jié)果是一部分流體在縫隙較大 處近似平行軸線流動,無法進(jìn)行螺旋流動和強化 傳熱,而造成無法挽回的損失,這一問題已引起國 內(nèi)外學(xué)者的討論。目前,對連續(xù)型螺旋折流板換 熱器的研究已被提上日程。謝洪虎等對連續(xù)折流板換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬,并得 到了連續(xù)型螺旋折流板的螺旋節(jié)距 L 與螺旋折流 板管殼式換熱器強化傳熱效果變化規(guī)律的關(guān)系和 最佳螺紋節(jié)距。

        結(jié)束語

        無論換熱器的管程還是殼 程強化傳熱技術(shù),都會朝著結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高 的方向發(fā)展。在今后換熱器強化傳熱技術(shù)的發(fā)展方 向上,筆者在此有幾點展望:在不增加流體流阻的 條件下提高換熱器的傳熱效率;在保證換熱器結(jié)構(gòu) 緊湊的條件下增加有效傳熱面積;在保證換熱器有 較高的使用壽命的條件下使其具有較低的生產(chǎn)成本。

        參考文獻(xiàn)

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        (作者單位:青島理工大學(xué))

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