管殼式換熱器是石化、制冷、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的主要工藝設(shè)備之一。目前在我國(guó)石油化工行業(yè)中,換熱設(shè)備投資占設(shè)備投資的30%以上;另一方面,換熱器本身也是能源二次回收、節(jié)能設(shè)備,所以,換熱器的能效對(duì)生產(chǎn)的節(jié)能降耗有重要的意義。所有在換熱設(shè)備中,使用量最大的是管殼式換熱器,其中80%以上的管殼式換熱器仍采用弓形折流板光管結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)決定了換熱器傳熱效果差,殼程壓降大,與我國(guó)正在推行的節(jié)能降耗政策不相適應(yīng)。隨著強(qiáng)化傳熱理論的研究,為了提高換熱效率,將高效傳熱管與殼程強(qiáng)化傳熱的支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合,發(fā)展新型高效換熱器是換熱器發(fā)展的重要方向。
根據(jù)殼程強(qiáng)化傳熱理論,按流體在殼程的流動(dòng)方式,管殼式換熱器又分為:橫向流、縱向流和螺旋流,決定其流動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)是管束支撐件。橫向流換熱器的代表是弓形折流板換熱器,該類(lèi)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)大型化制造, 應(yīng)用較為廣泛等優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是存在流動(dòng)死區(qū),易積垢、壓降大,易發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng),綜合性能降低??v向流換熱器的代表是折流桿換熱器,該結(jié)構(gòu)避免了流體誘導(dǎo)振動(dòng)的現(xiàn)象,不存在流動(dòng)死區(qū),但制造和安裝困難。
螺旋流換熱器的代表是螺旋折流板換熱器,主要可以分為非連續(xù)型和連續(xù)型兩大類(lèi)。螺旋折流板換熱器由前捷克斯洛伐克國(guó)家化工設(shè)備研究所Lmcha和 Nemcansky于20世紀(jì)80年代提出并用于核電廠反應(yīng)堆,后由ABB公司獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán),其優(yōu)點(diǎn)是:殼程流動(dòng)近似柱塞流,旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生漩渦,易于破壞換熱管表面邊界層,有利于換熱;有效改善了流動(dòng)死區(qū),同時(shí)減輕了積垢現(xiàn)象,延長(zhǎng)了使用壽命:減小了殼程壓降,特別適用于高黏度流體;換熱管間無(wú)支撐跨距減小,減緩了流體誘導(dǎo)振動(dòng)。
搭接型螺旋折柳換熱器是研究和應(yīng)用最多最廣泛的,屬于無(wú)中心管非連續(xù)性折流板換熱器。研究的影響因素包括螺旋角、搭接量、折流板形狀以及數(shù)量、螺旋結(jié)構(gòu)形式等?,F(xiàn)有研究表明:螺旋角對(duì)總的傳熱效率影響很大,但不宜超過(guò)50°;搭接量10%三角區(qū)的漏流可以得到很大遏制,增大搭接量會(huì)造成壓降增加,使得能耗增加;折流板的形狀有橢圓形、扇形、折邊性、菱形等,分片的數(shù)量有3、4和6片,其換熱性能均比同類(lèi)型的弓形折流板有所提高。但由于折流板的搭接,造成在搭接區(qū)域存在三角漏流,導(dǎo)致該區(qū)域換熱效率急劇下降,有些工況下甚至比弓形折流板還低;由于搭接區(qū)域與殼體的返流,導(dǎo)致整體流動(dòng)阻力增加,壓降增大,能耗增加。而且,隨尺寸的增大和折流板數(shù)量增加,制造和安裝的精度要求高。
現(xiàn)有研究的連續(xù)性螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)形式存在中心管。連續(xù)螺旋折流板換熱器能夠使換熱器殼側(cè)形成理想螺旋柱塞流,真正的螺旋流動(dòng)得以實(shí)現(xiàn),提高了換熱效率。研究表明:在相同Re時(shí),使用中心管結(jié)構(gòu)的Nu數(shù)都明顯低于不用中心管結(jié)構(gòu)的,中心管的存在抑制了渦旋核心的產(chǎn)生;中心管半徑增加,整體的換熱管數(shù)量變少,換熱面積減少,導(dǎo)致?lián)Q熱性能降低;中心管半徑增大,殼側(cè)壓降降低,但存在一個(gè)最優(yōu),并不是越來(lái)越小。折流板是環(huán)繞中心管形成的, 實(shí)際上是一種曲面結(jié)構(gòu),給加工制造帶來(lái)很大的難度。
結(jié)合搭接型和連續(xù)性?xún)煞N螺旋折流板結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),2019年提出了無(wú)中心管的連續(xù)折流板的加工工藝,申請(qǐng)了一系列發(fā)明專(zhuān)利,并加工了少量試樣,擬開(kāi)發(fā)相關(guān)工藝包,實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)之上,建立了換熱器的能效測(cè)試平臺(tái),對(duì)同規(guī)格的弓形折流板換熱器和無(wú)中心管連續(xù)螺旋折流板換熱器樣機(jī)進(jìn)行換熱性能、能耗測(cè)試。
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