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管壳式换热器概述及研究现状
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2019/3/19 13:23:06  

摘要:本文首先对换热器的分类进行了探讨,然后对管壳式换热器进行了相关概述,最后对管壳式换热器研究现状进行了相关搜集、整理、归纳与探讨。

关键词:换热器 管壳式换热器

1换热器的分类

实际工业生产中工作状况各不相同,为了满足不同的生产需求,出现了各种各样的换热器。根据换热器的材质来分类,有金属、陶瓷、塑料、玻璃等。根据温度分,有稳态换热器和非稳态换热器。根据工作原理来分,可以分为以下几种形式[7,8]。①直接接触式换热器,其原理是通过冷、热流体之间的接触并相互混合以交换热量的热交换器。②蓄热式换热器,这类换热器通过中间介质暂时储存热量,将热量从高温流体转移向低温流体。③间壁式换热器,这种换热器拥有一个间壁,将需要进行换热的热流体和冷流体分别间隔在该壁的两侧,由于间壁的存在,冷热介质无法相互接触,均在各自的流道内进行流动,因为其结构的特点,在工业作业中适用范围最为普遍。而且间壁式换热器形式五花八门,如管壳式换热器、板式换热器等。④中间载热体式换热器,它的换热原理是热量先由温度较高的换热器转移至中间介质,中间介质把热量再转移向低温的换热器,温度降低的中间介质再返回高温换热器,以此循环。

2管壳式换热器概述

管壳式换热器因其结构可靠、易于制造、生产成本低、适应性强等优点,在目前工业生产换热过程中被广泛使用,其使用比例超过六成。如图1所示,将多根管状流道放到一个圆筒状的容器中,使流过管状流道内与管外的流体进行换热。通过改变管子的根数及管子之间的连接方法,达到改变传热面积的目的,同时,圆筒内可通过加设折流板以及通过改变折流板缺口的位置、形状来改变圆筒侧流体的流动方向。因此,此类换热器设计自由度比较高,加上构造简单,制造容易,同时也由于管状通道耐压性好,管壳式换热器成为间壁式换热器中最常用的换热器形式,管壳式换热器的具体结构形式也非常多,主要可分为:固定管板式、U型管式、浮头式、填料函式等类型[9]。上述结构外部壳体均为金属,内部结构为换热管束。冷热流体通过换热管壁进行换热。

3管壳式换热器的研究现状

管壳式换热器悠久的使用历史,简单的结构,广泛的应用,使其在设计、制造、研究等方面已经积累了大量的经验。不同国家制定了不同的管壳式换热器设计标准,例如中国的GB151——《钢制管壳式换热器》、美国的TEMA、ASME标准、英国的BS标准、法国的CODAP标准等。从换热器被人们使用开始,怎么强化传热就成为学者和生产企业的重点关注方向。根据管壳式换热器的结构,强化传热可从管程与壳程两个方面着手。

3.1管程强化传热

管程强化传热最常用的方法就是采用各种各样的异型管。从传热的原理出发,要想强化管程传热的性能,最简单的方法就是增加管内的雷诺数和增加传热面积两种方式,增加雷诺数也就是提高管内的湍流强度。通过改变换热管的形状可以达到增大雷诺数和换热面积的效果。国内外对异型管的研究均已取得较大的成果。

(1)翅片管

上世纪80年代,大量的学者开始研究翅片管。在管内外通过各种手段添加翅片,通过增大传热面积来强化换热效果。

Masliyah等[10]人运用CFD方法对层流状态的翅片管进行了研究,结果发现,在相同工况下,普通换热管的换热效率均比翅片管差,但是由于随着翅片的增加,管子的应力不可避免的增加。范宗良等[11]人在翅片管上开孔,运用试验研究,对比相同尺寸普通翅片管,发现带孔的翅片管换热效果优于无孔的翅片管。Joye等[12]人首先做了环形的流体流道,然后讨论翅片对环形流道的传热影响,研究发现,翅片能大大提高换热效果,同时发现不同的翅片形状对换热效果的影响不同。徐百平等[13]人分析了翅片管增强换热效果的原理,同时对不同尺寸参数的翅片对换热效果的影响做了研究。通过大量的数值模拟,他发现翅片数和高度均有最优解,超过最优解后,换热性能不会显著提高,其模拟的尺寸参数的换热管中最优解分别为10和26mm,当超过这两个值之后,性能曲线没有更好的变化。Kettner等[14]人运用CFD方法,对翅片在换热管内部的换热管进行了研究,研究表明,层流时,对换热效果影响最大的几个因素分别为翅片的高度、厚度及热导率。Zeng M[15]借助数值模拟方法,对三种不同类型的翅片在换热器在工作状态下的应力进行探究,三种翅片分别为Z型翅片、S型翅片和V型,研究发现,三种翅片在与管子的连接处应力较大,同时发现Z型的综合效果优于S型和V型。Rout[16]借助数值模拟方法,对三种结构的翅片做了探究,其三种结构分别为三角形翅片、T型和矩形,研究发现三角形换热性能最优。余波等[17]人也是利用试验来探究翅片对换热器传热性能的影响,同时也对阻力进行了观察,研究表明在几种结构中堵塞芯管的换热性能最好。

(2)螺旋槽管

螺旋槽管是一种带螺旋槽的专用换热管。当流体在管中流动时,靠近壁的流体的一部分被螺旋形凹槽引导以产生二次流,导致雷诺数增大,并且流体在轴向方向进行流动时,受到壁面的影响,导致边界层变薄,再加上层中的扰动,从而强化换热效果[18]。

李占峰等[19]人对螺旋槽管做了数值模拟,研究结果表明槽管的深度对换热管的管内流体的流动扰动效果明显,不同的槽深对流体流动有不同的阻碍效果,同时对传热系数影响较大,该换热管的努赛尔数是对应尺寸普通换热管的2倍左右,但对管内流体的阻碍作用增加3倍左右。刘佳驹等[20]人对螺旋槽管与普通光管进行了数值模拟,研究发现,螺旋槽管的换热效果明显优于普通光管的换热器,从能量消耗的角度做了进一步计算分析,发现EEC大约为1.3。崔海亭等[21]人运用CFD的方法,探究了不同尺寸的螺旋槽纹管传热性能,研究发现节距比较小、螺旋角为直角的换热管性能较优。Kareema[22]在Re数较小的前提下,对多头的螺旋槽管做了研究,通过CFD方法和实验验证,研究发现双头结构的换热效果远好于普通结构的换热管,但摩擦阻力比普通结构大很多。Zimparov[23]等借助试验,对螺旋槽管做了多组探究,结果表明,相比普通的换热管,螺旋槽管在强化了热性能的同时,阻力降显著的提高。

(3)扭曲扁管

在管程强化办法中,还有一种管叫做扭曲扁管,加工这类换热管,首先把传统的光管压扁,呈椭圆状,然后再沿管子的轴向扭曲。由于其结构的特点,无论是管子内部流体还是管子的外部流体,在流动时均增加了径向运动,由于流体的主运动方向是管子的轴向方向,结果导致了管内外流体的Re数增大。对比传统类型的换热管,扭曲扁管的平均效果要高于其1.3倍左右。同时阻力也有明显的增加[24]。

20世纪七十年代末,Dzyubenko[25]首先通过电加热扭曲扁管,把空气当做流体介质,对扭曲扁管中流体的换热特性和流动做了实验探究,依据实验所得数据,利用计算机软件拟合了空气在各个部位的传热系数的计算公式。Tan X等[26]借助CFD方法分别对扭曲三叶管和普通的扭曲扁管进行了研究,同时运用试验验证数值计算结果,研究表明扭曲三叶管换热性能更佳,这是由于该管在工作状态下不但有旋流,与此同此还有迪恩效果,从而增强了场效果。Bishara等[27]借助CFD方法模拟多组不同节距直径比,变化范围为3~6,不同短长轴之比,变化范围为0.3~0.7的扭曲扁管做了对比分析,研究发现,扭曲扁管内的流体在流动过程中产生了迪恩效应,从而增加管内流动的雷诺数,换言之,就是湍流效果更佳,强化了换热效果,此外,随着前面两个比值的降低,管内流体在流动过程中所受到的阻力反而升高,最后进行了试验验证。Tan X等[28]通过数值模拟的方法,所得结果与Bishara的研究结果一致。Yang X等[29]对扭曲管的强度做了大量的研究,他们对不同尺寸的扭曲管借助CFD进行了研究,同时运用试验进行了验证,给出了扭曲管的刚度削弱系数。

(4)波纹管

除此之外,还有一种异形管即波纹管,这种管子上面具有波纹形状,其轴向的面是波浪形状。类似于前文所说的扭曲扁管,因其外形的特点,导致管内外流体流动时出现很多个漩涡,大幅增加湍流强度。漩涡在增强换热的同时,冲刷了管子的壁面,使得该类型的换热管结垢率大幅降低,也减少了结垢引起的热阻,从而进一步达到强化传热的效果。

战洪仁等[30]借助场协同原理和CFD计算方法,对五种尺寸参数的波纹管做了充分地探究,研究发现,波纹管的周期与努塞尔数有很强的关联性,此外,波谷的协同性比波峰处要弱。肖金花等[31]借助CFD方法对相同工况下传统的光管和波纹管的传热性能进行了研究,结果表明,当流体处于湍流状况,波纹管的换热效果比传统光管好数倍,同时,在雷诺数15000左右时差距最大,这是由于在波峰处有二次流发生。外国学者Nishimura [32]利用实验手段对波纹管进行了研究,结果表明,对比传统直管,流体经过波纹管时,从层流状态发展到湍流状态,Re数增大。王大成等[33]借助CFD方法对波纹管进行了研究,同时对缩放管的换热特性进行了对比研究,对比二者的场协同,结果表明,波峰收缩段的温度梯度与速度的角度收缩,轴向的速度场相比更均稳定,协同效果也更好,传热效果也更佳。G.Russ和H.Beer[34]借助CFD的方法,探究了雷诺数对波纹管和光滑管之间的影响关系,最后进行了试验验证。结果表明,在层流时两者接近,但Re数增大时,直管的传热效果远远落后于波纹管。俞惠敏等[35]借助实验的方法,为了更好的进行对比分析,分别对光管结构、波纹管结构、螺纹管做了研究,结果表明,同工况下光管、螺纹管、波纹管的传热系数和压降依次递增。

3.2壳程强化传热

壳程强化的主要有两种途径,其中一种改变管子形状或在管外加翅片,增壳程流体湍流强度,这与前一节管内强化传热机理相同。另一种则是从改变壳程支撑结构出发,以减少或消除壳程流动与传热的滞留死区,使传热面积得到充分利用。主要支撑结构包括板式支撑,杆式支撑,空心环支撑以及管子自支撑等,其中最为广泛应用的是折流板板式支撑。而最早出现的折流板形状基本为单弓形折流板。这种结构导致壳程流体在流过折流板时形成死角区域,同时,由于壳程流体的流向导致换热器在工作状态时难免会出现振动甚至共振,使得换热器寿命减少,故障率增加。壳程流体的流动导致压降增加,能量消耗和成本均大量的增加,不利于提高生产效率。所以壳程的优化就要根据以上缺点来考虑。

基于单弓形折流板明显的缺点,学者经过不懈的努力,慢慢的开发出了双弓型等折流板型式。相比于单弓形折流板,大大增加了缺口面积,这样让壳内的介质在径向流动更加容易,降低了流动中的阻力,同时换热器的整体运行更加稳定。Mukherjee[36]的研究结果发现双弓型因为缺口面积的增大,导致壳内介质横向不能充分的流动,进而导致整体的传热系数相对于单弓形折流板减少了20%~40%,与此同时,相对于单弓形折流板,压降总体下降了50%~70%,这有助于减少能耗,换热器在工作状态的振动也明显降低,这有助于提高生产过程的安全性。刘巍、梁龙虎[37]在工业生产中试验了双弓型折流板,研究发现压降大幅降低,换热量增加,换言之,也节省换热面积20%~30%,若果保持压降在同一水平,相比于单弓形折流板,此类折流板的传热效率可提高约50%。张丽娜等[38]利用数值模拟对两种类型的折流板进行了探究,结果表明,在Re数大时,双弓型折流板的换热性能不如单弓形的换热性能。

参考文献

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[2]   林雄.管壳式换热器的流路性能数值模拟研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[3]   桂州.浅谈多晶硅项目含氯硅烷介质换热器型式选择[J]..科技资讯,2013 (28):77-77.

[4]   蔡莲莲.双管板换热器的设计、制造及应用[J].产品开发与设计-机械,2009,36(11):53-55.

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[6]   张党卫.浅析双管板换热器在多晶硅生产中的应用[J].内蒙古石油化工,2009,11(10):20-21.

[7]   郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[M].北京:化学工业出版社,2011:229-230.

[8]   秦叔经,叶文邦.化工设备设计全书—换热器[M].北京:化学工业出版社,2003:1-4.

[9]   匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计[M].化学工业出版社,2008:38-41.

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[11]  范宗良,张虎,陶文铨.两种平直内翅管流动与换热实验研究[J].工程热物理学报,2011,32(12):2106-2109.

[12]  Joye D,Cata S.Heat Transfer Enhancement in Annular Channels with Helical and Longitudinal Fins[J].Heat Transfer Engineering,1995,16(2): 29-34.

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